Nghiên cứu thực nghiệm sử dụng xăng sinh học (e10, e20) trên ô tô

Trong các loại nhiên liệu sinh học thì etanol là loại nhiên liệu có tiềm năng lớn ở Việt Nam nhờ nguồn nguyên liệu phong phú và sự tham gia mạnh mẽ của nhiều thành phần kinh tế vào quá t

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu kết quả nêu

trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố

trong các công trình nào khác!

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lê Anh Tuấn đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn và Phòng thí nghiệm Động

cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận văn này

Học viên

Lê Công Báo

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

E5 Xăng sinh học bao gồm 5% etanol và 95% xăng truyền thống - E10 Xăng sinh học bao gồm10% etanol và 90% xăng truyền thống - E20 Xăng sinh học bao gồm 20% etanol và 80% xăng truyền

thống

-

CD48” Chassis Dynamometer 48” (Băng thử ô tô con và xe tải hạng

nhẹ)

-

ECE15-05 Chu trình thử châu Âu cho xe con và xe tải hạng nhẹ -

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

1.1 Tổng quan về nhiên liệu sinh học 4

1.2 Nhiên liệu etanol và xăng sinh học 6

1.2.1 Nhiên liệu etanol 6

1.2.2 Xăng sinh học 12

1.2.3 Tình hình sản xuất và sử dụng etanol 14

Kết luận chương 1 24

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA CÁC LOẠI XĂNG SINH HỌC E10 VÀ E20 25

2.1 Các tính chất của xăng 25

2.1.1 Các chỉ tiêu về tính chất vật lý 25

2.1.2 Các chỉ tiêu về tính chất sử dụng 27

2.2 Khảo sát ảnh hưởng của etanol đến các tính chất sử dụng của nhiên liệu khi phối trộn vào xăng 31

2.2.1 Độ bay hơi của xăng sinh học 31

2.2.2 Ảnh hưởng của etanol lên độ bay hơi của nhiên liệu 31

2.2.3 Trị số Octan 32

2.2.4 Hiệu ứng làm giảm tỷ lệ không khí/nhiên liệu (tỷ lệ A/F) 33

2.2.5 Phân tách pha do sự có mặt của nước 33

2.2.6 Ảnh hưởng đến sự phát thải của các chất gây ô nhiễm 34

2.2.7 Ưu điểm và nhược điểm viêc pha etanol vào xăng 34

2.3 Tính chất lý hóa của nhiên liệu E10, E20 35

Kết luận chương 2 38

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM ĐỐI CHỨNG SỬ DỤNG XĂNG SINH HỌC E10, E20 VÀ RON92 ĐẾN TÍNH NĂNG VÀ PHÁT THẢI CỦA Ô TÔ PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ 39

3.1 Trang bị thử nghiệm 39

3.1.1 Băng thử ô tô CD48” 39

3.1.2 Tủ phân tích khí thải CEBII 40

3.2 Đối tượng thử nghiệm 42

3.3 Kết quả thử nghiệm 44

3.3.1 Công suất, suất tiêu thụ nhiên liệu 44

3.3.2 Tính năng phát thải 51

Kết luận chương 3 56

KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

PHỤ LỤC 61

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Tính chất của etanol [1] 7

Bảng 2.1 Ưu, nhược điểm của methanol và ethanol 29

Bảng 2.2 Chỉ tiêu chất lượng của xăng RON92 [2] 36

Bảng 2.3 Tính chất nhiên liệu của xăng sinh học E10 và E20 [2] 37

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật xe Daewoo Lanos 42

Bảng 3.2 Các điểm thử nghiệm tại các tay số IV và V của ô tô 43

Bảng 3.3 Kết quả đo công suất xe Lanos tại tay số IV 45

Bảng 3.4 Thay đổi công suất xe Lanos ở tay số V 45

Bảng 3.5 Tiêu hao nhiên liệu xe Lanos tại tay số IV 48

Bảng 3.6 Tiêu hao nhiên liệu xe Lanos tại tay số V 48

Bảng 3.8 Phát thải xe Lanos tại tay số V 51

Bảng 3.9 Mức thay đổi phát thải so với RON92 (%) của E10 và E20 tại tay số V 52 Bảng 3.10 Phát thải xe Lanos khi chạy với RON92, E10 và E20 theo chu trình thử ECE1505 54

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ sản xuất etanol từ lúa mì và xi-rô đường 9

Hình 1.2 Sơ đồ sản xuất etanol từ xenluloza 10

Hình 1.3 Sản lượng nhiên liệu sinh học tính đến năm 2017 15

Hình 2.1 Áp suất hơi bão hòa tại 37,80 C 32

Hình 2.2 Sự tăng trị số octan khi tăng tỉ lệ etanol 33

Hình 3.1 Sơ đồ bố trí thử thử nghiệm ô tô của PTN Động cơ đốt trong - ĐHBK Hà Nội 39

Hình 3.2 Ô tô Daewoo Lanos 40

Hình 3.3 Tủ phân tích khí thải CEBII 41

Hình 3.4 Chu trình thử Châu Âu ECE 1505 44

Hình 3.5 Mức độ thay đổi công suất ở tay số IV xe Lanos (kw) tại tay số IV so với RON92 46

Hình 3.6 Mức độ thay đổi công suất ở tay số V xe Lanos (kw) tại tay số V so với RON92 46

Hình 3.7 Mức độ cải thiện công suất xe Lanos (%) tại tay số IV so với RON92 47

Hình 3.8 Mức độ cải thiện công suất xe Lanos (% ) tại tay số V so với RON92 47

Hình 3.9 Suất tiêu thụ nhiên liệu tay số IV của động cơ xe Lanos 49

Hình 3.10 Suất tiêu thụ nhiên liệu tay số V của động cơ xe Lanos 49

Hình 3.11 Mức thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu so với RON92 (%) của E10 và E20 tại tay số V 50

Hình 3.12 Mức độ thay đổi CO (%) của nhiên liệu E10 và E20 53

Hình 3.13 Mức độ thay đổi HC (%) của nhiên liệu E10 và E20 53

Hình 3.14 Mức độ thay đổi NOx (%) của nhiên liệu E10 và E20 54

MỞ ĐẦU

Hiện nay năng lượng và ô nhiễm môi trường là vấn đề quan trọng và cấp bách cần giải quyết Thực tế cho thấy, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp thì kéo theo là lượng năng lượng cần cho nó cũng tăng lên rất lớn Trong khi đó nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt Mặt khác việc

sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch làm cho môi trường bị ô nhiễm nghiêm trọng Việc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch thải ra rất nhiều khí ô nhiễm như COx,

NOx, SOx, các hợp chất hydrocacbon, bụi… gây nên nhiều hiệu ứng xấu đến môi trường, hệ sinh thái và ảnh hưởng lớn đến chất lượng cuộc sống

Vì vậy việc tìm ra nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường là điều rất quan trọng và cần thiết Bên cạnh việc sử dụng các nguồn năng lượng như năng lượng thủy điện, năng lượng nguyên tử, năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều…Năng lượng có nguồn gốc sinh học đang rất được quan tâm

Trong các loại nhiên liệu sinh học thì etanol là loại nhiên liệu có tiềm năng lớn ở Việt Nam nhờ nguồn nguyên liệu phong phú và sự tham gia mạnh mẽ của nhiều thành phần kinh tế vào quá trình sản xuất Nguyên liệu để sản xuất etanol rất phong phú có thể kể đến như nguồn nguyên liệu từ các sản phẩm nông nghiệp, rác thải, phế phẩm nông nghiệp lâm đây là những nguồn nguyên liệu dồi dào không liên quan đến lương thực trong khi giúp cho việc tái sử dụng các nguồn phế liệu một cách hiệu quả nhất

Việt Nam là một nước nông nghiệp, nơi có tiềm năng lớn về nguyên liệu phục vụ cho sản xuất nhiên liệu sinh học phục vụ cho đời sống, đã có chủ trương

đúng đắn thể hiện qua “Đề án Phát triển và sử dụng nhiên liệu sinh học đến năm

2015 và tầm nhìn đến năm 2025” Chủ trương này thể hiện sự tham vọng của chính

phủ và cũng thể hiện sự quyết tâm của toàn xã hội trong việc quy hoạch, tổ chức sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học

Các nghiên cứu sử dụng xăng sinh học trên động cơ và phương tiện đã được nghiên cứu thực nghiệm ở trong cũng như ngoài nước Ở trong nước, các loại xăng

sinh học từ E10 đến E20 đã được nghiên cứu sử dụng trên xe máy và ô tô dùng chế

hòa khí Tuy nhiên, thực tế cho thấy các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực

nghiệm về đặc tính và phát thải trên đối tượng động cơ dùng chế hòa khí thường

không tương đồng với nhau do loại động cơ này không có khả năng điều khiển tỷ lệ

không khí/nhiên liệu

Đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm sử dụng xăng sinh học (E10, E20) trên ô

tô phun xăng điện tử” hướng tới góp phần giải quyết các yêu cầu trên của thực tiễn

1 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu đề tài

1.1 Mục đích

Đánh giá được ảnh hưởng của xăng sinh học đến tính năng và phát thải động cơ

phun xăng điện tử lắp trên ô tô hiện đại

1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu đề tài

+ Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện với các loại nhiên liệu RON92, E10

và E20,

+ Ô tô thử nghiệm là ô tô Daewoo Lanos 2001, số kilomet đi được trước khi vào

thử nghiệm 97.263 (km), xe sử dụng hệ thống nhiên liệu phun xăng điện tử,

Các nội dung nghiên cứu của luận văn được thực hiện tại Phòng thí nghiệm

Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

2 Phương pháp nghiên cứu

+ Nghiên cứu lý thuyết thông qua tổng hợp các nghiên cứu về sử dụng xăng sinh

học ở Việt Nam và trên thế giới, tập hợp và kế thừa các kết quả trước đây của các

công trình nghiên cứu liên quan,

+ Thực nghiệm đối chứng tính năng và phát thải khi sử dụng nhiên liệu truyền

thống RON92 và xăng sinh học E10, E20,

+ Tăng cường trao đổi và tiếp thu ý kiến của các chuyên gia có kinh nghiệm

trong lĩnh vực nghiên cứu để hoàn thiện phương pháp nghiên cứu

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

+ Luận văn cũng đã xây dựng thành công các quy trình thực nghiệm của động cơ

phun xăng điện tử đối với nhiên liệu xăng sinh học E10 và E20, bao gồm quy trình

đánh giá đối chứng tính năng và phát thải của động cơ Các quy trình này được xây dựng dựa trên cơ sở các tiêu chuẩn đánh giá hiện hành cũng như hệ thống thiết bị đánh giá hiện đại hiện có ở Việt Nam,

+ Luận án góp phần tư vấn cho các cơ quan chức năng trong việc thực hiện mục tiêu của lộ trình sử dụng xăng sinh học E10 theo quyết định 52/2012/QĐ-TTg của Thủ Tướng Chính phủ và cung cấp kiến thức, cũng như tư vấn cho người sử dụng phương tiện trong việc sử dụng, vận hành đúng cách phương tiện nhằm tận dụng được tối đa ưu điểm và hạn chế ảnh hưởng trái chiều của xăng sinh học đến phương tiện và môi trường

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về nhiên liệu sinh học

Nhiên liệu sinh học (NLSH) (Biofuels) là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc động thực vật Ví dụ như nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa,…), ngũ cốc (lúa mì, ngô, đậu tương, sắn,…), chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân,…), sản phẩm trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải,…) [1] NLSH dùng cho giao thông vận tải chủ yếu gồm các loại cồn (Metanol, Etanol, Butanol), các loại diesel sinh học (sản xuất từ dầu thực vật, dầu thực vật phế thải, mỡ động vật) Đây là nguồn nhiên liệu thay thế tiềm năng cho tương lai, tuy nhiên bên cạnh đó cũng có những hạn chế nhất định Một số ưu điểm chính của NLSH so với các loại nhiên liệu truyền thống như sau:

Ưu điểm:

- Thân thiện với môi trường: NLSH sinh ra ít hàm lượng khí gây hiệu ứng nhà kính (CO2, CO, N2O,…) và ít gây ô nhiễm môi trường hơn các loại nhiên liệu truyền thống,

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

vì etanol được sản xuất theo dây chuyền công nghệ sinh học, nguyên liệu sản xuất ethanol là tinh bột của các loại củ hạt như: sắn, khoai, ngô, lúa, gạo, trái cây…

- Là nguồn nhiên liệu có thể tái sinh: các nhiên liệu này lấy từ hoạt động sản xuất nông, lâm nghiệp và có thể tái sinh, giúp giảm sự lệ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch (dầu mỏ, than đá,…)

Nhược điểm:

- Phát triển NLSH có nguồn gốc từ thực vật yêu cầu diện tích canh tác lớn dẫn đến việc cạnh tranh diện tích canh tác với các cây lương thực khác do đó sẽ làm giá lương thực tăng cao, nếu phát triển không hợp lý có thể gây đe dọa tới an ninh lương thực,

- Phát triển NLSH có nguồn gốc từ động thực vật còn gặp phải một khó khăn nữa đó là phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện thời tiết, dịch bệnh nếu điều kiện không thuận lợi thì quá trình sản xuất không thể diễn ra liên tục được,

- Công nghệ để đầu tư cho sản xuất nhiên liệu sinh học tiên tiến (chế tạo nhiên liệu sinh học từ lignin cellulose – có trong rơm, cỏ, gỗ,…) có giá vốn cao,

- NLSH khó cất giữ và bảo quản hơn so với nhiên liệu truyền thống (dễ bị biến tính phân hủy theo thời gian)

Tùy theo lợi thế về nguyên liệu của mỗi quốc gia mà người ta chọn các loại nguyên liệu phù hợp để sản xuất Đồng thời cũng dựa trên nguồn nguyên liệu dùng

để sản xuất NLSH người ta chia NLSH thành ba thế hệ:

- NLSH thế hệ đầu tiên: là nhiên liệu sinh học được sản xuất từ các nguyên liệu

có bản chất là thực phẩm ví dụ như các nguyên liệu có chứa tinh bột, đường, mỡ động vật, dầu thực vật,…

- NLSH thế hệ thứ hai: khắc phục được các vấn nạn về lương thực của NLSH thế hệ đầu tiên Thay vì chỉ sử dụng đường, tinh bột, dầu như ở thế hệ đầu tiên, kỹ thuật này cho phép sử dụng tất cả các hình thức sinh khối chứa lignocellulose Các loại cỏ cây, các phế phẩm công nghiệp và nông nghiệp đều có thể được chuyển đổi thông qua hai con đường: hóa sinh và nhiệt hóa,

- NLSH thế hệ thứ 3: có nguồn gốc từ tảo ra đời và được coi là một năng lượng thay thế khả thi Vi tảo có thể sản xuất nhiều dầu hơn 5-300 lần để sản xuất biodiesel, hơn nữa so với cây trồng thông thường được thu hoạch 1 - 2 lần trong một năm thì vi tảo có chu kỳ thu hoạch rất ngắn (khoảng 1 - 10 ngày tùy thuộc vào từng tiến trình) cho phép thu hoạch nhiều và liên tục với năng suất đáng kể Ý tưởng dùng vi tảo để sản xuất NLSH không còn là mới, nhưng nó đang được xem xét một cách nghiêm túc do giá xăng dầu tăng cao, và mối quan tâm mới nổi về sự nóng lên trên toàn cầu do đốt các nhiên liệu hóa thạch

Các loại nhiên liệu sinh học thường sử dụng trên thực tế hiện nay có thể

kể tên như sau:

- Bioetanol

- Biodiesel

- Methane (biogas)

- Biohydrogen

- Dimethyl ether (DME)

Trong đó bio-etanol (gọi tắt là etanol) được sản xuất và sử dụng rộng rãi ở

Mỹ, Brazil và các nước đang phát triển như Thái Lan và Trung Quốc

Etanol đã có lịch sử phát triển lâu đời và được ứng dụng lên động cơ đánh lửa cưỡng bức, động cơ chạy etanol đã ra đời từ những năm đầu tiên trong thời kì phát triển của động cơ đốt trong Henry Ford là người đầu tiên đề xuất việc sử dụng etanol bởi vì đặc tính cháy tốt, có thể được chế tạo từ các sản phẩm nông nghiệp Thực tế thì Brazil đã thực hiện ý tưởng này và là đất nước đi đầu về việc ứng dụng etanol làm nhiên liệu sử dụng cho động cơ trên toàn thế giới

Etanol được sản xuất nhờ sự lên men của các nguyên liệu nông nghiệp như ngô, khoai tây, củ cải đường Những sản phẩm thừa trong nông nghiệp như pho mát cũng có thể được sử dụng Ngoài tinh bột, đường là những nguồn nguyên liệu

để chế tạo ra cồn etanol Ở Brazil thì etanol được sản xuất từ bã mía, vì vậy giá thành rất rẻ và thân thiện với môi trường Còn ở Pháp thì etanol được sản xuất chủ yếu từ nho, khiến cho lượng nho cung cấp cho việc sản xuất rượu vang bị suy giảm Ngoài ra etanol còn có thể được sản xuất từ gỗ

Etanol nguyên chất ít được dùng làm nhiên liệu, thông thường etanol được pha với xăng để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong Là đối tượng nghiên cứu của luận văn nên các tính chất của etanol cũng như tác động của etanol đến động cơ sẽ được trình bày tỉ mỉ trong các phần sau

1.2 Nhiên liệu etanol và xăng sinh học

1.2.1 Nhiên liệu etanol

1.2.1.1 Tính chất vật lý của etanol

Etanol là chất lỏng không màu, mùi thơm dễ chịu, vị cay, nhẹ hơn nước (khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 15o

C), sôi ở 78,39 oC, hóa rắn ở - 114,15oC, tan

vô hạn trong nước Sở dĩ etanol tan tốt trong nước và có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều

so với este hay aldehit có cùng số cacbon là do sự tạo thành liên kết hydro giữa các phân tử với nhau và với nước

Một số tính chất vật lý thể hiện trên Bảng 1.1

Bảng 1.1 Tính chất của etanol [1]

1 Công thức phân tử C2H5OH hay C2H6O

1.Hàm lượng etanol, % thể tích, không nhỏ

3.Hàm lượng nước, % thể tích, không lớn

hơn

1,0 TCVN7893(ASTME1064)

4.Độ axit (tính theo axit axetic

CH3COOH), % khối lượng, không lớn hơn

0,007 TCVN7892(ASTMD1613)

5 Hàm lượng clorua vô cơ, mg/kg, không

lớn hơn

1.2.1.2 Công nghệ sản suất etanol

Để sản xuất etanol ta có thể đi từ nhiều phương pháp khác nhau Tuy nhiên, xuất phát từ điều kiện Việt Nam là một nước nông nghiệp có sản phẩm nông nghiệp rất phong phú nên đề tài này chỉ đề cập đến việc sản suất etanol từ nguồn nguyên liệu chính:

- Sản xuất etanol từ nguyên liệu chứa tinh bột (ngũ cốc, lúa mỳ, sắn, ngô )

- Sản xuất etanol từ nguyên liệu là rỉ đường

- Sản xuất etanol từ nguyên liệu chứa cellulose (rơm rạ, mùn cưa…)

a Phương pháp hydrat hóa etylen

Cho etylen hợp nước ở 3000C áp suất 70 ÷ 80 atm với xúc tác là axit:

CH2 = CH2 + H2O → CH3 - CH2-OH Chất xúc tác thường sử dụng là axit photphoric được mang trên các chất có

độ xốp cao như diatomit hay than củi Chất xúc tác này được công ty Shell sử dụng

để sản xuất etanol ở mức độ công nghiệp năm 1947

Một axit khác cũng được sử dụng phổ biến, đó là axit sunfuric Phản ứng xẩy ra theo hai giai đoạn: đầu tiên tạo etyl sunfat, sau đó chất này phân hủy tạo thành etanol và tái tạo lại axit:

CH2 = CH2 + H2SO4 → CH3-CH2OSO3H

CH3-CH2OSO3H + H2O → CH3-CH2-OH + H2SO4Etanol công nghiệp không phù hợp với mục đích làm đồ uống do có chứa một số thành phần độc hại như: metanol, denatonium (C21H29N2O, C7H5O2) là một

chất gây đắng, gây tê Etanol điều chế theo phương pháp công nghiệp thường có chỉ số UN bằng 1986 –1987 [1]

b Công nghệ lên men sản xuất etanol

Etanol có thể được sản xuất bằng công nghệ lên men, nguyên liệu có thể là các loại cây trồng chứa đường đơn giản hoặc ngũ cốc chứa tinh bột (Hình 1.1) Tinh bột ngũ cốc gồm các phần tử cacbonhydrat phức tạp nên phải phân hủy thành đường đơn giản nhờ quá trình thủy phân trước khi lên men Hạt ngũ cốc được xay, nghiền ướt thành dạng bột nhão, sau đó được nấu và thủy phân bằng enzym (ví dụ amylaza) để tạo đường Trong trường hợp thủy phân bằng axit thì cần rót axit loãng vào khối bột nhão trước khi đem nấu Quá trình lên men được xúc tiến mạnh khi có mặt một số chủng men ancol Để thuận lợi cho quá trình lên men, pH của dung dịch thủy phân cần điều chỉnh ở mức 4,8 - 5,0 Etanol sinh ra trong quá trình lên men sẽ hòa tan trong nước nên sau đó phải tiến hành chưng cất và tinh cất để tạo etanol nguyên chất (có thể đạt mức etanol tuyệt đối- etanol khan)

Hình 1.1 Sơ đồ sản xuất etanol từ lúa mì và xi-rô đường

c Công nghệ sinh học sản xuất etanol từ nguyên liệu xenluloza

Công nghệ sinh học sản xuất etanol từ xenluloza thể hiện qua quy trình xử

lý thủy phân xenluloza trong đó bao gồm thủy phân nguyên liệu licnoxenluloza tiền

xử lý, sử dụng các enzym để phá vỡ cellulose phức tạp để tạo thành đường đơn giản và tiếp theo là quá trình lên men và chưng cất

Có 6 giai đoạn để sản xuất etanol từ xenluloza (Hình 1.2):

- Giai đoạn tiền xử lý, để tạo nguyên liệu licnoxenluloza như gỗ hoặc rơm

rạ để thủy phân,

- Thủy phân xenluloza (cellulolysis), để bẻ gãy các phân tử để tạo đường,

- Tách đường từ các nguyên liệu còn sót lại, đáng chú ý là lignin (phức polyme thơm),

- Lên men đường,

- Chưng cất để tạo ra etanol nguyên chất,

- Khử nước để tạo ra etanol khan với nồng độ lên đến 99,7%

Hình 1.2 Sơ đồ sản xuất etanol từ xenluloza

Quá trình sản xuất etanol từ xenluloza chỉ khác với quá trình lên men tinh bột ở chỗ xử lý nguyên liệu thành đường đơn sẵn sàng cho quá trình lên men Thủy phân hỗn hợp xenluloza khó hơn thủy phân tinh bột vì hỗn hợp xenluloza là tập hợp các phân tử đường liên kết với nhau thành mạch dài (polyme cacbonhydrat) gồm khoảng 40 - 60% xenluloza và 20 - 40% hemixenluloza, có cấu trúc tinh thể bền Hemixenluloza chứa hỗn hợp các polyme có nguồn gốc từ xylo, mano, galaeto hoặc arabino kém bền hơn xenlulo Nói chung hỗn hợp xenluloza khó hòa tan trong

nước Phức polyme thơm có trong gỗ là lignin (10 - 25%) không thể lên men vì khó phân hủy sinh học, nhưng có thể tận dụng vào việc khác [4]

d Các phương pháp làm khan etanol

Cồn công nghiệp có hàm lượng nước tương đối lớn nên khi pha vào xăng sẽ tạo hiện tượng tách lớp làm cho nhiên liệu không đồng nhất, giảm chất lượng của quá trình cháy và gây ăn mòn động cơ Vì vậy công đoạn làm khan cồn, nâng độ cồn lên 99,5% được xem là công đoạn then chốt quyết định đến sự thành công của quá trình sử dụng etanol làm nhiên liệu

- Làm khan bằng các chất hút nước: Có thể dùng các chất hút nước như: Clorua canxi khan, vôi … Tuy nhiên biện pháp này ít hiệu quả,

- Chưng cất phân đoạn: Đó là phương pháp cho thêm một cấu tử vào hỗn hợp

để phá vỡ điểm sôi Cấu tử thêm là benzen và hỗn hợp lại được chưng cất phân đoạn lần nữa Benzen tạo ra điểm sôi hỗn hợp cấp ba với nước và etanol nhằm loại

bỏ etanol ra khỏi nước và điểm sôi hỗn hợp cấp 2 với etanol để loại bỏ phần lớn benzen Phương pháp này có thể tạo ra etanol có độ khan rất cao tuy nhiên vẫn còn một lượng nhỏ benzen còn lại trong etanol gây độc hại Do vậy phương này chỉ ứng dụng để tạo etanol làm nhiên liệu (ví dụ như pha vào xăng) mà không được sử dụng cho thực phẩm

- Sử dụng rây phân tử: Rây phân tử là vật liệu xốp, sử dụng để hấp thụ chọn lọc nước từ dung dịch 96% etanol Có thể sử dụng zeolit dạng viên hoặc bột yến mạch tuy nhiên zeolit có giá trị hơn do khả năng hấp phụ chọn lọc cao, lại tái sinh được Số lần sử dụng zeolit không hạn chế do có thể tái tạo bằng cách làm khô với luồng khí CO2 nóng Etanol tinh khiết sản xuất theo phương pháp này sẽ không chứa benzen do vậy etanol tinh khiết loại này có thể sử dụng trong thực phẩm, y học và mỹ phẩm

- Sử dụng chất phụ gia: Hiện nay có một xu hướng sử dụng etanol nồng độ thấp ≤92% làm nhiên liệu Đối với etanol dạng này yêu cầu phải có phụ gia có vai trò xúc tiến quá trình hòa trộn giữa xăng và etanol đồng thời nó ngăn ngừa sự tách pha của nước trong hỗn hợp cũng như ngăn cản quá trình hấp thụ hơi nước từ khí

quyển trong quá trình bảo quản sử dụng Phụ gia thường dùng là các loại ancol có phân tử lớn như ancol isopropylic, isobutyric

1.2.2 Xăng sinh học

1.2.2.1 Tính chất lý hóa của xăng sinh học

Xăng sinh học là hỗn hợp giữa xăng truyền thống và etanol theo một tỷ lệ nhất định Sau khi phối trộn, xăng sinh học có những thay đổi nhất định về tính chất

so với xăng gốc, ví dụ về tính chất một số loại xăng sinh học thể hiện ở Bảng 1.3

Tỷ lệ phối trộn các loại nhiên liệu etanol - xăng (E0 ; E5; E10; E20) ở đây

E chỉ etanol và số tiếp theo chỉ phần trăm etanol (E5 có nghĩa là 5% etanol được pha trộn với 95% xăng)

Bảng 1.3 cho thấy khi thay đổi tỷ lệ phối trộn etanol - xăng thì áp suất hơi bảo hòa (RVP); trị số octan, nhiệt trị của nhiên liệu thay đổi Khi tăng hàm lượng etanol thì áp suất hơi bảo hòa (RVP) tăng, đạt giá trị lớn nhất ở E10 và sau đó giảm, trị số octan tăng, nhiệt trị của nhiên liệu giảm vì nhiệt trị của etanol thấp hơn xăng

Bảng 1.3 Tính chất lý hóa của xăng sinh học [10]

So sánh đặc tính của xăng sinh học với xăng truyền thống

1.2.2.2 Ảnh hưởng của xăng sinh học đến môi trường

Động cơ sử dụng etanol giảm phát thải khí nhà kính, giảm được khí CO2

và khí độc hại Thêm vào đó, phát thải CO2 lại được cây hấp thụ lại để tái tạo etanol, như vậy coi như không làm gia tăng khí CO2 trong khí quyển Do etanol

có chứa tới 34,7% khối lượng ôxy nên xăng sinh học cũng chứa một tỷ lệ ôxy nhất định giúp cải thiện quá trình cháy, qua đó phần lớn các phát thải độc hại trong khí thải động cơ khi sử dụng xăng sinh học cũng được giảm Xăng sinh học chứa ít lưu huỳnh và các hydrocacbon thơm nên giảm các sản phẩm cháy có chứa lưu huỳnh trong khí thải, hạn chế sự hình thành mưa axit Tuy nhiên do xăng sinh học dễ bay hơi hơn xăng thông thường nên có xu hướng làm tăng phát thải HC do bay hơi Thêm vào đó, hàm lượng acetaldehyde trong khí thải động cơ sử dụng xăng sinh học có thể tăng lên

1.2.3 Tình hình sản xuất và sử dụng etanol

1.2.3.1 Tình hình sản xuất và sử dụng etanol trên thế giới

Trong những năm vừa qua, ngành nhiên liệu sinh học trên thế giới đã có những bước phát triển mãnh mẽ dựa trên động lực chính là phát triển năng lượng tái tạo trước tình trạng giá dầu tăng cao, hỗ trợ nông nghiệp qua việc gia tăng giá trị sản phẩm, và bảo vệ môi trường Tổ chức Năng lượng Quốc tế IEA kêu gọi từ nay đến năm 2020 cần tăng gấp đôi sản lượng NLSH nhằm góp phần giảm 20

C nhiệt độ trái đất

Chính phủ nhiều nước trên thế giới đã hỗ trợ ngành NLSH phát triển thông qua các chính sách bắt buộc pha trộn NLSH vào nhiên liệu truyền thống và các chỉ tiêu về tỷ lệ năng lượng tái tạo trong nền kinh tế Trong ngành NLSH trên thế giới, etanol phát triển mạnh nhất Xét về giá trị kinh tế, ngành sản xuất etanol đến nay đã tạo được hơn 1,4 triệu việc làm và đóng góp giá trị gia tăng hơn 277,3 tỷ USD cho kinh tế thế giới

Về tốc độ phát triển, các thống kê khác nhau cho thấy, sản lượng etanol đến năm 2012 đã đạt xấp xỉ 115 tỷ lít, tăng gần gấp đôi trong vòng 5 năm qua Trong

đó, Mỹ, Braxin và EU chiếm 87% sản lượng toàn cầu Dự báo, đến năm 2020 sản lượng etanol toàn cầu sẽ tăng lên đến 180 tỷ lít

Hình 1.3 Sản lƣợng nhiên liệu sinh học tính đến năm 2017

Việc nghiên cứu, phát triển sản xuất và sử dụng NLSH thu hút sự quan tâm rất lớn của các quốc gia trên thế giới do các lợi ích của loại nhiên liệu này đối với

an ninh năng lượng, môi trường và xã hội Với các lợi ích thiết thực như vậy, nhiều quốc gia trên thế giới đã xây dựng và ban hành các chiến lược, chương trình, chính sách thúc đẩy phát triển sản xuất và sử dụng NLSH theo hướng bền vững, trên cơ

sở đảm bảo an ninh năng lượng, an ninh lương thực, bảo vệ môi trường và giải quyết các vấn đề xã hội

a Brazil

Nước này có diện tích canh tác trồng mía cho sản xuất etanol lên đến gần 8 triệu ha 45 nhà máy đường ở Brazil hầu hết đều sản xuất etanol Ngành công nghiệp etanol ở Brazil nhận được nguồn tài chính khổng lồ và những chính sách công phù hợp, ưu đãi khiến cho sản phẩm xăng sinh học ở đây có sức cạnh tranh lớn nhất thế giới Brazil đứng thứ 2 trên thế giới về sản xuất etanol (từ mía đường)

với sản lượng gần 25 tỷ lít năm Bên cạnh đó, Brazil cũng là nước tiên phong trong việc sử dụng NLSH trên thế giới, đặc biệt trong việc nghiên cứu phát triển các loại phương tiện vận tải sử dụng etanol nguyên chất Những chiếc xe chạy etanol nguyên chất đã được Brazil giới thiệu từ những năm 1970 của thế kỷ trước và sử dụng rộng rãi trong những năm 1980 Tại Brazil hiện nay có tới hơn 80% phương tiện vận tải sử dụng NLSH các loại trong tổng số xe mới bán ra góp phần nâng số lượng xe sử dụng NLSH tại Brazil lên hơn 50% trong tổng số gần 30 triệu xe tải nhẹ đang lưu hành

Để đáp ứng nhu cầu sử dụng NLSH ngày càng tăng ở trong nước, cùng với mức hỗ trợ tín dụng ưu đãi từ Chính phủ, đã thúc đẩy việc đầu tư xây dựng thêm các nhà máy sản xuất etanol trên toàn quốc Đặc biệt là từ giữa các năm

2005 – 2012 đã có hơn 116 nhà máy sản xuất etanol mới được đầu tư xây dựng tại Brazil

b Trong khối EU

EU chiếm vị trí thứ ba thế giới về sản lượng etanol Sản xuất etanol tại EU chủ yếu sử dụng ngũ cốc và củ cải đường Chương trình năng lượng tái tạo (RFD) của EU quy định đến năm 2020, toàn bộ xăng dầu dùng cho giao thông vận tải phải được pha 10% nhiên liệu tái tạo Ba quốc gia Pháp, Đức, Anh chiếm khoảng một nửa sản lượng etanol toàn EU Tiêu thụ nhiên liệu sinh học của EU luôn cao hơn sản xuất và được bù đắp bằng nguồn nhập khẩu, chủ yếu từ Brazil Tiêu thụ NLSH cũng tăng nhanh khoảng 23% mỗi năm, do ngoài việc áp dụng E5, E10 và B7 lên các động cơ truyền thống, loại động cơ cải tiến dung E85 đang được áp dụng ngày càng rộng rãi

Từ đầu năm 2004 các trạm xăng Aral và Shell ở Đức bắt đầu thực hiện chỉ thị 2003/30/EU mà theo đó từ 31-12-2005 ít nhất 2% và đến 31-12- 2010 ít nhất 5,75% các nhiên liệu dùng để chuyên chở phải có nguồn gốc tái tạo

c Mỹ

Mỹ là quốc gia sản xuất và tiêu thụ nhiên liệu sinh học lớn nhất thế giới Sản lượng sản xuất ra chiếm khoảng 43% trên toàn thế giới Tại Mỹ, Cục bảo vệ

môi trường EPA là cơ quan quản lý chương trình sử dụng NLSH Chương trình Nhiên liệu tái tạo phiên bản 1 được triển khai đầu tiên từ năm 2005 đã yêu cầu 28,4

tỷ lít nhiên liệu tái tạo phải được pha trộn với xăng đến năm 2012 Trong 2 năm sau

đó, chương trình Nhiên liệu tái tạo phiên bản 2 được triển khai đã yêu cầu tăng lượng cũng như chủng loại NLSH phải được sử dụng nhằm giảm tối đa sự phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính

Tại Mỹ, etanol sản xuất chủ yếu từ ngô Đạo luật về an ninh và độc lập năng lượng ban hành năm 2007 đã giúp Mỹ vượt qua Brazil để trở thành nước sản xuất etanol lớn nhất thế giới Dưới đạo luật này, chương trình nhiên liệu tái tạo của

Mỹ ban đầu đặt chỉ tiêu năm 2008 pha 29 tỷ lít NLSH vào xăng, nhưng thực tế năm 2008 đạt đến 32 tỷ lít và chỉ tiêu đề ra cho năm 2022 là 137 tỷ lít

Trong những năm qua, Chính phủ Mỹ cũng có chương trình hỗ trợ sản xuất etanol cho các nhà máy chế biến với những chính sách ưu đãi đặc biệt bao gồm các khoản tín dụng thuế cho doanh nghiệp, hỗ trợ nhà nước cho nghiên cứu và phát triển Bên cạnh đó việc giảm thuế nhập khẩu cho etanol, đề ra những nguyên tắc

sử dụng, pha chế etanol với xăng và những đạo luật về việc chế tạo động cơ, ô tô có khả năng sử dụng hỗn hợp E15 và E85

d Philippines

Philippines là quốc gia tiên phong ở Châu Á trong việc thực hiện chương trình NLSH bằng việc sử dụng NLSH tái tạo vào năm 2006 Theo đó, toàn bộ các sản phẩm nhiên liệu tiêu thụ nội địa phải pha trộn NLSH 2% Bio - diesel và 10% Bio-etanol vào tháng 2/2012

Philippines hiện có 9 nhà máy sản xuất, cung cấp 395 triệu lít Bio-diesel và 3 nhà máy sản xuất, cung cấp 79 triệu lít Bio - etanol ra thị trường Tuy nhiên, nhu cầu tiêu thụ NLSH của Philippines hiện nay rất cao Ước tính năm 2012, Philippines cần 149 triệu lít Bio - diesel và 420 triệu lít Bio-etanol để đáp ứng nhu cầu trong nước Để bù đắp cho sự thiếu hụt nguồn cung trong khi nhu cầu trong nước đang ngày càng tăng cao, từ cuối năm 2013 Philippines sẽ đưa vào vận hành 3 nhà máy etanol với tổng công suất 133 triệu lít

e Thái lan

Ngày 27/12/2011, Chính phủ Thái lan phê duyệt và ban hành chương trình phát triển năng lượng tái tạo trong năm (2012 - 2021) nhằm tăng lượng sử dụng NLSH trên toàn quốc từ 1,1 triệu lít ngày (tương đương 9,4% tổng tiêu thụ năng lượng) lên 9 triệu lít ngày vào năm 2021 (tương đương 25% tổng tiêu thụ năng lượng) Mục tiêu chính của chương trình này nhằm giảm 8 % lượng dầu mỏ nhập khẩu

Thái lan đã bắt đầu cung cấp xăng pha cồn cho các phương tiện vận tải vào năm 2005 Người tiêu dùng có thể chọn mua E10 với giá giảm đáng kể so với xăng thông thường Tại thời điểm đó, hầu hết các phương tiện vận tải đường bộ ở Thái lan có thể sử dụng xăng pha cồn E10 mà không ảnh hưởng gì Chính phủ đã công

bố một danh sách của tất cả các xe có thể sử dụng xăng E10 và phát hành rộng rãi tại tất cả các trạm xăng dầu trên cả nước Hầu hết ô tô sản xuất sau năm 1983 đều

có thể sử dụng E10

Hiện tại hầu hết các trạm xăng tại Thái Lan đều bán xăng E20 và đây là loại xăng thông dụng nhất tại Thái Lan vì tất cả các loại ô tô đời mới đều có thể sử dụng loại xăng này, giá cả thấp hơn 5 Baht/lít so với xăng E10 Đối với E85, hiện Thái Lan có khoảng 150 điểm bán, chủ yếu tại Bangkok và đang sử dụng ngày một nhiều hơn Loại xăng này chỉ có thể sử dụng cho các loại phương tiện sử dụng nhiên liệu linh hoạt (FFV) Loại phương tiện này có một hệ thống nhiên liệu điện tử đặc biệt cho phép vận hành trên bất cứ loại xăng pha etanol nào với tỷ lệ etanol từ 0% - 80%

1.2.3.2 Tình hình sản xuất và sử dụng etanol ở Việt Nam

Sản xuất etanol theo công nghiệp ở nước ta đã bắt đầu từ năm 1898 do người Pháp thiết kế và xây dựng Trước Cách mạng Tháng Tám ở nước ta có các nhà máy ancol Hà Nội, Hải Dương, Nam Định, Bình Tây, Chợ Quán và Cái Răng Tất cả đều sản xuất từ ngô, gạo theo phương pháp amylo Sau ngày hoà bình lập lại (1955), các nhà máy không còn thiết bị nguyên vẹn nên chính phủ ta tập trung cải tạo, sửa chữa thành nhà máy ancol Hà Nội với năng suất 6 triệu lít năm

Đến năm 1960, chúng ta có thêm hai nhà máy etanol từ rỉ đường là Việt Trì - Phú Thọ và Sông Lam - Nghệ An Năng suất mỗi nhà máy là 1 triệu lít Trong những năm chống Mỹ cứu nước, các tỉnh và địa phương xây dựng thêm hàng loạt các nhà máy ancol cỡ 1 triệu lít năm như Lục Ngạn - Hà Bắc, Hưng Nhân - Thái Bình Ngoài ra hầu hết ở các tỉnh cũng xây dựng các phân xưởng etanol cỡ nhỏ lít năm Tổng năng suất của các nhà máy lớn nhỏ là 15 triệu lít năm

Sau năm 1975, chúng ta tiếp quản và xây dựng thêm các nhà máy rỉ đường

và một số cơ sở tư nhân khác Thời điểm 1980 - 1985 tổng lượng etanol sản xuất hàng năm là trên triệu lít Có thể nói, thời gian này lượng etanol trong cả nước là lớn nhất, vừa xuất khẩu vừa tiêu thụ trong nước

Tính đến tháng 12/2012, cả nước đã có 6 nhà máy (Nhà máy sản xuất Etanol nhiên liệu - Công ty Cổ phần Đồng Xanh; Nhà máy sản xuất Etanol nhiên liệu - Công ty TNHH Tùng Lâm; Nhà máy sản xuất Etanol - Công ty TNHH Đại Việt; Nhà máy sản xuất Bio-etanol Đăk Tô - Kum Tum; Nhà máy sản xuất Etanol sinh học Dung Quất; Nhà máy sản xuất Etanol nhiên liệu Bình Phước) sản xuất NLSH

đi vào hoạt động với tổng công suất thiết kế khoảng 535 triệu lít etanol năm đủ

để pha khoảng trên 1054 triệu lít xăng E5 hoặc trên 526 triệu lít xăng E10

Sản phẩm của các công ty này được tiêu thụ trong nước khoảng 20% để phối trộn xăng E5 và bán theo hệ thống phân phối của Tập đoàn Dầu khí và của Công ty Sài Gòn Petro Phần còn lại khoảng 80% sản lượng sản xuất được xuất khẩu cho các nước như Nhật Bản, Hàn Quốc, Philippine ở dạng 95,5 và 96% etanol

Hiện cả nước có một số dự án đầu tư xây dựng nhà máy (Nhà máy sản xuất Etanol sinh học Phú Thọ; Nhà máy cồn sinh học Việt - Nhật) sản xuất etanol nhiên liệu đang trong giai đoạn hoàn tất chuẩn bị đưa vào vận hành với công suất thiết kế đạt khoảng 220 triệu lít etanol/năm

Ngoài các nhà máy trong giai đoạn hoàn tất chuẩn bị đưa vào sản xuất trong năm 2012, hiện nay còn một số các dự án đã được các tỉnh phê duyệt đầu tư (Nhà máy sản xuất Bio - etanol nhiên liệu - Công ty Cổ phần Tấn phát; Nhà máy sản xuất Etanol nhiên liệu - Công ty cổ phần Thảo Nguyên; Nhà máy liên hợp sản xuất

Etanol, phân bón và thức ăn gia súc - Công ty cổ phần Bio - etanol Thái - Việt; Nhà máy sản xuất Etanol nhiên liệu - Công ty cổ phần Quy Nguyên; Nhà máy sản xuất

Etanol nhiên liệu - Công ty cổ phần Năng lượng xanh dầu khí toàn cầu -

Energreen) đang tiến hành xây dựng dự kiến hoàn thành và đưa vào sản xuất giai đoạn từ năm 2013 đến 2015 Theo số liệu báo cáo của các Công ty, tổng năng lực sản xuất của nhóm này đạt khoảng 350 triệu lít etanol nhiên liệu/năm Nếu các dự

án đầu tư được triển khai đúng tiến độ, đến năm 2015, cả nước sẽ có 13 nhà máy sản xuất etanol nhiên liệu với tổng công suất thiết kế đạt khoảng 1,100 triệu lít đủ

để phối trộn 8,5 triệu tấn xăng E10 và nhu cầu sử dụng sắn đạt 2,15 triệu tấn sắn lát khô

Tình hình sản xuất etanol tại Việt Nam có những thuận lợi và khó khăn như sau:

Thuận lợi:

Việt Nam tiềm năng nguồn nhiên liệu sinh khối đáng kể là những sản phẩm thừa trong quá trình chế biến nông lâm sản như rơm rạ, trấu, cỏ, lá, mùn cưa, bã mía và một số chất thải nông nghiệp khác So với nguồn nhiên liệu sinh khối từ gỗ khoảng 75-80 triệu tấn năm, tương đương 26-28 triệu tấn dầu năm Năng lượng sinh khối từ phụ phẩm nông nghiệp chiếm khoảng 30 triệu tấn năm tương đương với 10 triệu tấn dầu năm trong đáng kể là các nguyên liệu trấu, rơm rạ, bã mía, mùn cưa Nguồn nhiên liệu sinh khối từ vỏ trấu là đáng kể nhất ở Việt Nam khoảng 5-7 triệu tấn năm trong đó đồng bằng sông Cửu Long có khoảng 4,5-5 triệu tấn năm Phụ phẩm thứ 2 có thể kể đến là vỏ cà phê, vỏ cà phê hoàn toàn có thể dùng để sản xuất etanol

Việt Nam còn có vùng nguyên liệu sắn rộng lớn Cây sắn đã chuyển đổi vai trò từ cây lương thực thành cây công nghiệp với tốc độ cao, năng suất và sản lượng sắn đã tăng nhanh ở thập kỷ đầu của thế kỷ XXI

Khó khăn:

Ngày 15/09/2008, tổng công ty Dầu Khí Việt Nam (PV Oil) thuộc Petro Việt Nam đã bán xăng pha 5% etanol (E5) ra thị trường với giá 6.5 đồng/lít, rẻ hơn giá

xăng A92 lúc đó 500 đồng/lít Tuy nhiên chỉ 6 ngày sau (20/09), việc bán xăng pha etanol ra thị trường bị dừng lại do chưa có tiêu chuẩn về xăng sinh học

Mặc dù nhà nước đã có đề án “Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” được ký duyệt vào cuối năm 2007 nhưng vẫn chưa có những chính sách cụ thể để khuyến khích cũng như hỗ trợ các nhà khoa học, doanh nghiệp và người dân cùng thực hiện Các công trình nghiên cứu về nhiên liệu sinh học được công bố còn ít, các công trình đã công bố thì lại gặp khó khăn trong việc triển khai sản xuất và ứng dụng Các doanh nghiệp không mặn mà với việc sản xuất nhiên liệu sinh học

Hiện nay, nguồn cung cấp nhiên liệu hóa thạch để chạy động cơ do một số doanh nghiệp nắm giữ và mang tính độc quyền, để thuyết phục họ chuyển dần sang kinh doanh nhiên liệu sinh học là rất khó Các doanh nghiệp khác thì chưa đủ tiềm lực để có thể áp dụng và kinh doanh nhiên liệu sinh học Mặt khác để đầu tư cho dây chuyền sản xuất nhiên liệu sinh học theo quy mô công nghiệp thì yêu cầu nguồn vốn lớn, điều này không phải doanh nghiệp nào ở Việt Nam cũng có thể đáp ứng được

Muốn phát triển nhiên liệu sinh học thì phải có nguồn nguyên liệu cung cấp

để sản xuất Tuy nhiên, hiện nay có một số vùng trồng nguyên liệu nhưng mang tính chất manh mún, nhỏ lẻ gây khó khăn cho việc sản xuất theo quy mô công nghiệp

Một yếu tố quan trọng nữa là người tiêu dùng ở nước ta từ trước đến nay vẫn quen dùng nhiên liệu truyền thống, chưa có những chiến dịch tuyên truyền người dân sử dụng nhiên liệu sinh học Mặt khác, giá thành của xăng sinh học còn cao, chưa khuyến khích được người tiêu dùng sử dụng

Ngày 20/11/2007, Thủ tướng Chính phủ đã duyệt quyết định 177/2007/QD -

TTg phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” Đề án xây dựng mục tiêu phát triển nhiên liệu sinh học theo từng giai

đoạn, bao gồm các vấn đề về cơ chế chính sách, quy hoạch vùng nguyên liệu, đào tạo nguồn nhân lực, nghiên cứu làm chủ công nghệ chế biến phối trộn xăng sinh

học Theo đó, đến năm 2015 sản lượng etanol và dầu thực vật đạt 250 nghìn tấn (pha được 5 triệu tấn E5, B5), đáp ứng 1% nhu cầu xăng dầu của cả nước; và đến năm sản lượng này đạt 1,8 triệu tấn, đáp ứng khoảng 5% nhu cầu xăng dầu của cả nước

Vấn đề sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ ethanol lớn hơn 5%

Như đã trình bày ở trên, etanol có một số tính chất khác với tính chất của nhiên liệu nguồn gốc hóa thạch, vì vậy để động cơ có thể hoạt động một cách hiệu quả khi sử dụng xăng sinh học với tỷ lệ cồn etanol lớn, cần thiết phải nghiên cứu Đặc biệt để tăng khả năng thay thế nhiên liệu truyền thống trên động cơ xăng dùng chế hòa khí và động cơ phun xăng điện tử Một số vấn đề đặt ra khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ ethanol lớn được trình bày dưới đây

Etanol có trị số Octan (RON và MON) cao, tăng khả năng chống kích nổ, do

đó có thể cải tiến tăng tỷ số nén để tăng hiệu suất động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu, qua đó giảm phát thải CO2

Lượng ôxy trong cồn etanol chiếm khoảng 35% khối lượng nên nhiệt trị của etanol thấp hơn so với xăng (27 MJ kg so với 42,7 MJ kg) Để đảm bảo duy trì năng lượng cung cấp cho động cơ cần phải tăng lượng nhiên liệu cho một chu trình Tuy nhiên bên cạnh đó, hàm lượng ôxy lớn của etanol cũng có ảnh hưởng tích cực như giúp cải thiện quá trình cháy, nâng cao hiệu suất động cơ, đặc biệt là giảm phát thải độc hại HC và CO của động cơ Đồng thời, chất lượng quá trình cháy khi sử dụng cồn etanol còn chịu ảnh hưởng của yếu tố khác như chất lượng hình thành hỗn hợp, tốc độ cháy nên cần tính toán nhằm tăng thêm lượng nhiên liệu cung cấp đảm bảo công suất động cơ không đổi

Etanol có áp suất hơi bão hòa thấp, khả năng bay hơi thấp, nhiệt hoá hơi cao (gấp 3 lần so với xăng), etanol khó bay hơi nhất là trong điều kiện nhiệt độ thấp,

Etanol có chứa hàm lượng lớn ôxy nên có khả năng ôxy hóa cao, làm cho một số chi tiết kim loại bị ăn mòn, chi tiết phi kim bị lão hóa nhanh Ảnh hưởng này có thể dẫn tới hiện tượng rò rỉ nhiên liệu, gây nguy hiểm cho phương tiện

Việt Nam là một nước nông nghiệp, nơi có tiềm năng lớn về nguyên liệu phục vụ cho sản xuất nhiên liệu sinh học, Chính phủ đã phê duyệt ” Đề án Phát triển

và sử dụng nhiên liệu sinh học đến năm 2015 và tầm nhìn đến năm 2025”, tính đến 12/2012 theo thông kê sản lượng etanol đạt 535 triệu lít etanol/năm Dự kiến đến năm 2015, cả nước có 13 nhà máy với tổng ông suất thiết kế đạt khoảng triệu l,100 triệu lít đủ để phối trộn 8,5 triệu tấn xăng E10 Đến 12/2014 xăng E5 đã chính thức được bán rộng rãi tại 7 tỉnh, thành phố lớn ở Việt Nam, 12/2015 xăng E5

sẽ được áp dụng trên toàn quốc

Lộ trình sử dụng xăng sinh học của Chính phủ tiếp theo xăng E5, xăng E10

sẽ được chính thức bán ra thị trường từ năm 2016 và sử dụng rộng rãi từ năm 2017

đã được Chính phủ phê duyệt trong Quyết định số 53/2012 QĐ -TTg ngày 22/11/2012

Tuy nhiên khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol lớn hơn 5% cho động

cơ xăng thông thường đang lưu hành ở điều kiện Việt Nam, trên cơ sở các kết quả nghiên cứu trên thế giới và trong nước đã thực hiện, cần đặc biệt quan tâm hơn tới việc nghiên cứu tính năng và phát thải trên động cơ phun xăng điện tử khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol E100 trong hỗn hợp lớn hơn 5%

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA CÁC LOẠI XĂNG SINH

HỌC E10 VÀ E20 2.1 Các tính chất của xăng

2.1.1 Các chỉ tiêu về tính chất vật lý

2.1.1.1 Khối lượng riêng

Khối lượng riêng là khối lượng trên một đơn vị thể tích, thông thường khối lượng riêng được đo ở 150C Khối lượng riêng liên quan mật thiết đến các chỉ tiêu khác như thành phần chưng cất, áp suất hơi bão hoà… Vì vậy, chỉ tiêu này thường nằm trong một giới hạn phổ biến, đối với xăng ô tô là 0,725  0,78 g/cm3 [2]

2.1.1.2 Áp suất hơi bão hòa

Áp suất hơi bão hoà là một trong các tính chất vật lý quan trọng của các chất lỏng dễ bay hơi Đây chính là áp suất hơi mà tại đó thể hơi cân bằng với thể lỏng

Áp suất hơi bão hoà Reid (PVR) là áp suất tuyệt đối ở nhiệt độ 37,80

C (1000F) đặc trưng cho khả năng bay hơi của phần nhẹ trong xăng Áp suất hơi bão hoà cao, động cơ dễ khởi động Tuy nhiên, nếu áp suất hơi bão hòa cao quá thì sẽ dễ tạo nút hơi trong động cơ, gây hao hụt trong tồn chứa và ô nhiễm môi trường Áp suất hơi bão hoà quá thấp cũng ảnh hưởng trực tiếp đến tính khởi động của động cơ, nhất là về mùa lạnh Vì vậy, trong chỉ tiêu kỹ thuật thường giới hạn: 0,43 <PVR

<0,75bar PVR xác định theo tiêu chuẩn ASTM-D323 [2]

2.1.1.3 Thành phần cất

Xăng động cơ là hỗn hợp của nhiều loại hydrocacbon khác nhau, chưa kể một lượng nhỏ các chất phụ gia khác có trong xăng Mỗi loại hydrocacbon đều có đặc tính hóa lý riêng và nhiệt độ sôi khác nhau Khi tiến hành gia nhiệt cho một mẫu xăng chưng cất, các hydrocacbon khác nhau sẽ chuyển riêng rẽ từ dạng lỏng sang dạng khí ở những nhiệt độ khác nhau gọi là nhiệt độ sôi Vì vậy tính chất sôi và bay hơi của xăng thường được đánh giá bằng Tsđ, Tsc và Ts tương ứng với % thể tích chưng cất được trong thiết bị chưng cất tiêu chuẩn Đối với xăng thương phẩm thì các giá trị của các nhiệt độ này phải được nằm trong một giới hạn nhất định

Phương pháp xác định thành phần cất của xăng được tiến hành theo tiêu chuẩn ASTM-D86

Thành phần cất của xăng là phần trăm thể tích thu được theo nhiệt độ trong một dụng cụ chuẩn Nó là một chỉ tiêu quan trọng ảnh hưởng đến tính năng khởi động, tính năng tạo nút hơi, khả năng đóng băng và khả năng làm loãng dầu bôi trơn…

Ý nghĩa của việc xác định thành phần cất đối với động cơ xăng:

- Ảnh hưởng đến khả năng khởi động

Nhiệt độ sôi đầu (Tsđ) là nhiệt độ tại đó thu được giọt lỏng đầu tiên trong ống

đo Nhiệt độ sôi đầu cùng với nhiệt độ tương ứng với 10%, 30% thể tích ảnh hưởng đến tính khởi động của động cơ, khả năng tạo nút hơi và hao hụt nhiên liệu Khi tsđ

và t10% càng thấp thì lượng nhiên liệu bay hơi càng lớn, động cơ dễ khởi động nhưng nếu thấp quá thì dễ tạo nút hơi làm động cơ hoạt động không ổn định đồng thời gây hao hụt nhiên liệu lớn trong quá trình vận chuyển và tồn chứa

- Ảnh hưởng lên khả năng tăng tốc

Nhiệt độ cất 50% (t50% ) là nhiệt độ ứng với 50% thể tích sản phẩm ngưng tụ được Nhiệt độ 50% biểu thị ảnh hưởng của nhiên liệu đến quá trình làm việc của động cơ khi thay đổi tốc độ Khi t50% cao tức là nhiên liệu chứa ít hydrocacbon nhẹ nên khi tăng tốc độ động cơ, mặc dù lượng nhiên liệu nạp vào lớn nhưng bốc hơi và cháy không kịp làm giảm công suất, máy yếu và điều khiển khó khăn

- Ảnh hưởng đến khả năng cháy hết

Nhiệt độ 90% (t90%) là nhiệt độ tương ứng với 90% thể tích thu được, còn nhiệt độ sôi cuối là nhiệt độ cực đại đạt được khi chưng cất T90% và tsc đặc trưng cho khả năng cháy hoàn toàn của nhiên liệu Giá trị t90%, tsc càng cao chứng tỏ trong xăng chứa nhiều hydrocacbon nặng nên quá trình bay hơi tạo hỗn hợp cháy sẽ khó khăn, phần nhiên liệu không bay hơi và cháy kịp sẽ đọng lại trên thành xilanh, rửa dầu bôi trơn nên tăng quá trình mài mòn máy và giảm độ nhớt của dầu nhờn

và được quy ước bằng 0

Về nguyên tắc, trị số octane càng cao càng tốt, tuy nhiên phải phù hợp với từng loại động cơ

- Hiện tượng cháy kích nổ

Quá trình cháy của nhiên liệu trong buồng đốt luôn có sự cạnh tranh giữa hai quá trình là cháy cưỡng bức và tự bốc cháy Nếu vận tốc lan tràn màng lửa từ 15 đến 40 (m/s) thì quá trình cháy bình thường Nếu vận tốc lan tràn màng lửa trên 300 (m/s) thì quá trình cháy không bình thường hay cháy kích nổ

- Bản chất của hiện tượng cháy kích nổ trong động cơ xăng

Bản chất của hiện tượng kích nổ là sự oxy hóa các hydrocacbon kém bền để tạo ra các hợp chất chứa oxy như peroxyt, hydroperoxyt, rượu, xeton, axit… trong

số các hợp chất này thì đáng chú ý nhất là các hợp chất peroxyt, hydroperoxyt đây

là những hợp chất kém bền dễ bị phân hủy tạo ra các gốc tự do để sinh ra các phản ứng chuỗi dẫn đến sự tự bốc cháy

- Các yếu tố liên quan đến động cơ ảnh hưởng lên chỉ số octane

+ Góc đánh lửa sớm Nếu đánh lửa quá sớm so với ĐCT đường giãn nở và áp suất cực đại cũng giảm, do đó công truyền từ môi chất công tác cho piston cũng giảm Góc đánh lửa sớm tối ưu được lựa chọn sao cho công chu trình lớn nhất Thông thường người ta xác định góc đánh lửa sớm tối ưu theo kinh nghiệm

+ Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất trong buồng đốt gia tăng nhiều có thể là nguyên nhân của sự cháy kích nổ lớn và kéo dài, gây giảm công suất và hư hỏng động cơ

+ Tỷ số nén: Nếu tăng tỷ số nén thì hiệu suất động cơ tăng nhưng dễ xảy ra hiện tượng kích nổ

- Các phương pháp xác định trị số octane:

+ Trị số octane nghiên cứu ký hiệu là RON theo tiêu chuẩn ASTM D2700

+ Trị số octane động cơ ký hiệu là MON theo tiêu chuẩn ASTM D2699

+ Trị số octane trên đường (Road ON)

- Các phương pháp làm tăng chỉ số octane:

+ Phương pháp dùng phụ gia

Bản chất của phương pháp này là dùng một số hóa chất pha vào xăng nhằm hạn chế quá trình oxy hóa của các hydrocacbon ở không gian trước mặt màng lửa khi cháy trong động cơ Có 2 loại phụ gia:

Phụ gia chì: Bao gồm các chất như tetrametyl chì (TML), tetraetyl chì Nó sẽ tác dụng với các hợp chất trung gian hoạt động (peroxyt, hydroperoxyt) và tạo thành các hợp chất mới bền vững hơn do đó làm giảm khả năng bị cháy kích nổ Phụ gia chì khi cho vào xăng làm tăng trị số octane nhiều nhất (6÷12 đơn vị octane) Tuy nhiên do tính độc hại của nó nên ngày nay phụ gia chì không được sử dụng nữa

Phụ gia không chì: Sử dụng các hợp chất chứa oxy như methanol, etanol,…Do chúng được pha vào xăng với một lượng tương đối lớn nên được xem

là cấu tử pha trộn để tăng chỉ số octane của xăng Ưu, nhược điểm của methanol và etanol:

Bảng 2.1 Ưu, nhược điểm của methanol và ethanol

Methanol - Dễ kiếm

- Dễ tan trong nước

- Làm tăng áp suất hơi bão hòa

- Làm tăng khả năng cháy nổ

- Rất độc

Etanol - Dễ kiếm

- Dễ tan trong nước

- Làm tăng áp suất hơi bão hòa

- Làm tăng khả năng cháy nổ + Phương pháp hóa học

Để tăng chỉ số octane cho nhiên liệu xăng ta phải áp dụng các công nghệ lọc dầu tiên tiến nhất để chuyển các hydrocacbon mạch thẳng thành mạch nhánh, hoặc thành hydrocacbon vòng thơm có chỉ số octane cao Đó là các quá trình như: reforming xúc tác, alkyl hóa, isomer hóa…

2.1.2.2 Nhiệt độ chớp cháy

Nhiệt độ chớp cháy là nhiệt độ tại đó khi nhiên liệu được đốt nóng, hơi hydrocacbon sẽ thoát ra tạo với không khí xung quanh một hỗn hợp mà nếu đưa ngọn lửa đến gần chúng sẽ bùng cháy rồi phụt tắt như một tia chớp Như vậy, nhiệt

độ chớp cháy có liên quan đến hàm lượng các sản phẩm nhẹ có trong nhiên liệu Dầu càng có nhiều cấu tử nhẹ, nhiệt độ chớp cháy càng thấp

Nhiệt độ này đặc trưng cho mức độ hoả hoạn, quá trình vận chuyển bảo quản

và sử dụng an toàn phòng chống cháy nổ

2.1.2.3 Tính ổn định hóa học

Là khả năng chống lại sự oxy hóa làm biến chất sản phẩm đối với môi trường xung quanh Khi xăng bị oxy hóa thì dễ tạo nhựa và nhựa sinh ra sẽ đọng lại trên thành ống dẫn làm giảm tiết diện ống nên lượng xăng đi vào buồng cháy giảm, làm giảm công suất của động cơ

2.1.2.4 Các chỉ tiêu khác

- Hàm lượng chì

Để tăng chỉ số octane của xăng thì người ta pha thêm vào xăng nước chì ((C2H5)4Pb + C2H5Br hoặc C2H5Cl ) Nước chì rất độc, gây tổn thương cho hệ thần kinh trung ương, do đó ngày nay người ta không sử dụng xăng pha chì nữa

- Hàm lượng lưu huỳnh

Bất kỳ một loại dầu thô nào cũng chứa hàm lượng lưu huỳnh nhất định Trong quá trình chế biến các hợp chất lưu huỳnh được loại ra khỏi sản phẩm nhưng vẫn còn một phần tồn tại trong sản phẩm cuối cùng Vì vậy xăng bao giờ cũng chứa một hàm lượng lưu huỳnh nhất định Lưu huỳnh tồn tại trong xăng gây ăn mòn động cơ và ô nhiễm môi trường do quá trình cháy tạo ra SO2 và SO3 Ngoài ra nó còn ảnh hưởng xấu đến hoạt động của bộ xúc tác Hàm lượng lưu huỳnh được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D1266

- Hàm lượng aromatic

Sự có mặt của các hydrocacbon thơm trong xăng làm tăng chỉ số octane nhưng nếu hàm lượng quá lớn làm cho nhiên liệu khó cháy, mặt khác chúng là các hợp chất gây tác hại tới sức khoẻ con người và gây ô nhiễm môi trường Do đó, hàm lượng benzen được quy định nhỏ hơn 1% thể tích và hàm lượng hydrocacbon thơm nhỏ hơn 20% thể tích

- Hàm lượng nước và các tạp chất cơ học

Về yêu cầu kỹ thuật, hàm lượng nước và các tạp chất cơ học không được tồn tại trong xăng Tuy nhiên, trong quá trình vận chuyển và tồn chứa, nước tự do có thể lẫn vào Biết được hàm lượng nước trong xăng có ý nghĩa rất quan trọng, giúp cho việc tính toán khối lượng sản phẩm, khả năng chống ăn mòn Tổng hàm lượng nước xác định theo phương pháp ASTM D95-83 Đối với hàm lượng tạp chất cơ học yêu cầu kỹ thuật không cho phép tồn tại trong xăng Tuy nhiên trong quá trình vận chuyển và tồn chứa, hàm lượng tạp chất cơ học có thể tăng lên

2.2 Khảo sát ảnh hưởng của etanol đến các tính chất sử dụng của nhiên liệu khi phối trộn vào xăng

2.2.1 Độ bay hơi của xăng sinh học

Xăng có ẩn nhiệt hóa hơi là khoảng 465,4 KJ/kg; etanol là 839,67 KJ/kg Trong động cơ, sự bay hơi của hỗn hợp xăng không khí dẫn tới sự giảm nhiệt độ vào khoảng 4,40 C Ở cùng một điều kiện, do nhiệt ẩn hóa hơi của etanol lớn hơn

2 lần so với xăng, nên sự giảm nhiệt độ đối với etanol lớn hơn hai lần so với xăng

Sự giảm nhiệt độ này dẫn tới một “mật độ khối lượng” xăng sinh học vào động cơ lớn hơn so với xăng Nhiệt ẩn hóa hơi của xăng sinh học cao dẫn đến hiệu ứng làm lạnh môi chất nạp, do đó nạp được nhiều hỗn hợp hơn vào trong xy lanh của động

cơ, kết hợp với nhiệt trị thể tích của hỗn hợp của etanol gần bằng của xăng, cho nên công suất của động cơ dùng etanol có thể lớn hơn khi dùng xăng Điều này dẫn tới sự tăng hiệu quả về nhiên liệu của etanol so với xăng

2.2.2 Ảnh hưởng của etanol lên độ bay hơi của nhiên liệu

Độ bay hơi của nhiên liệu thể hiện qua áp suất hơi Reid (RVP) RVP của etanol thấp hơn RVP của xăng nhiều Tuy nhiên, RVP của xăng sinh học không tuân theo quan hệ tuyến tính với tỷ lệ etanol trong nhiên liệu Hàm lượng etanol thấp trong xăng sẽ gây ra sự tăng RVP Áp suất hơi tăng đến giá trị cực đại khi hàm lượng etanol trong nhiên liệu khoảng 10% thể tích và bắt đầu giảm khi tiếp tục tăng hàm lượng etanol (Hình 2.1) Như vậy hỗn hợp nhiên liệu có hàm lượng etanol lớn hơn 10% sẽ có sự tăng nhẹ hơn về RVP Theo các nghiên cứu, khi thêm etanol, xăng có áp suất hơi bản thân thấp sẽ có độ tăng áp suất hơi cao hơn

so với xăng có áp suất hơi cao

Hình 2.1 Áp suất hơi bão hòa tại 37,8 0

C 2.2.3 Trị số Octan

Khi tỷ số nén trong một động cơ càng lớn có nghĩa là hiệu suất chu trình tăng lên và hiệu quả đạt được lớn hơn, tuy nhiên khi tăng tỷ số nén cao có thể dẫn đến kích nổ Etanol có trị số octan tương đối cao và làm tăng đáng kể trị số octan của xăng thông thường sau khi phối trộn với nhau Hiệu quả của việc trộn này đạt giá trị cao nhất đối với chủng loại xăng cấp thấp Như vậy phối trộn etanol với xăng thông thường có thể loại bỏ việc sử dụng các phụ gia chống kích nổ truyền thống gây ô nhiễm như tetra etyl chì Việc pha 10 - 15% etanol vào xăng không chì làm tăng trị số octan đến giá trị cho phép có thể được sử dụng để đốt trong động cơ

tỷ số nén cao mà trước đây không thể sử dụng cho nhiên liệu xăng không chì truyền thống Việc sử dụng etanol không phải là mới do etanol đã từng được sử dụng làm phụ gia tăng trị số octan [11]

Hình 2.2 Sự tăng trị số octan khi tăng tỉ lệ etanol 2.2.4 Hiệu ứng làm giảm tỷ lệ không khí/nhiên liệu (tỷ lệ A/F)

Xăng là hỗn hợp của các hydrocacbon chỉ chứa H và C, etanol chứa H, C

và O Tỷ lệ A/F cần thiết để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu để tạo thành CO2 và nước gọi là tỷ lệ hỗn hợp công tác A /F lý tưởng (stoichiometric ratio) Với xăng,

tỷ lệ này vào khoảng 14,7:1 (theo khối lượng) Với xăng sinh học, không khí cần thiết để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu cần ít hơn do trong bản thân etanol đã có ôxy và do một số hydrocacbon được thay thế Lấy ví dụ, một nhiên liệu chứa 10% etanol chỉ yêu cầu A/F từ 14:1 đến 14,1:1

2.2.5 Phân tách pha do sự có mặt của nước

Sự phân tách pha xảy ra khi hàm lượng nước trong xăng quá cao Nước có

tỷ trọng lớn hơn xăng nên lắng xuống phía dưới khi phân tách Do nhiên liệu thường được lấy ở gần đáy thùng chứa, nên nước trong nhiên liệu sẽ ảnh hưởng tới động cơ tính năng kỹ thuật động cơ và tăng cường quá trình ăn mòn, lão hóa các chi tiết Các loại xăng thông thường chỉ có thể hấp thụ một lượng nhỏ nước trước khi

sự phân tách pha xảy ra Nhiên liệu xăng sinh học có thể hấp thụ một lượng nước lớn hơn Nhiên liệu xăng sinh học thực tế có chức năng làm khô thùng chứa nhờ

sự hấp thụ nước đáng kể mà không xảy ra sự phân tách pha do khả năng hoà tan