Nhiên liệu và dầu mỏ - Chương 3

Nhiên liệu là vật chất được sử dụng để giải phóng năng lượng khi cấu trúc vật lý hoặc hóa học bị thay đổi. Nhiên liệu giải phóng năng lượng thông qua quá trình hóa học như cháy hoặc quá trình

Chương 3

NHIÊN LIỆU SINH HỌC

3.1 NGUỒN GỐC, PHÂN LOẠI VÀ VAI TRÒ CỦA NHIÊN LIỆU SINH HỌC

3.1.1 Nguồn gốc và phân loại nhiên liệu sinh học

Theo dự tính lượng dầu mỏ sẽ cạn kiệt trong vòng 50 năm nữa, đồng thời nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng Giá dầu mỏ thường xuyên biến động và xu hướng chung là tăng nhanh là nguyên nhân làm giá cả trên thị trường Việc tìm ra nhiên liệu mới thay thế dầu mỏ và ứng dụng nó đã trở thành mục tiêu của nhiều nghiên cứu Nhiên liệu có nguồn gốc sinh học (các sản phẩm của nông nghiệp) là một giải pháp tốt nhất khi nó không chỉ giải quyết vấn đề năng lượng mà còn giải quyết vấn đề môi trường Những nhiên liệu có nguồn gốc sinh học bao gồm: cồn (ethanol, methanol),

biodiesel, biogas,…

3.1.2 Vai trò và xu thế phát triển của nhiên liệu sinh học

Những ưu điểm của nhiên liệu sinh học:

• Là nhiên liệu có thể tái sinh

• Thay thế được cho diesel, xăng

• Có thể sử dụng cho tất cả các phương tiện vận tải

• Giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính

• Giảm chất thải của ống bô, bao gồm các khí độc

• Không độc, dễ bị phân hủy sinh học, thân thiện với môi trường

• Sản xuất từ các sản phẩm nông nghiệp, hoặc từ các nguồn năng lượng tái sinh

• Dễ sử dụng nếu nắm được các qui định

Vì vậy mà việc sản xuất, ứng dụng nhiên liệu sinh học làm nhiên liệu thay thế cho các nhiên liệu truyền thống là vấn đề vô cùng quan trọng, là mục tiêu mà rất nhiều quốc gia đặt ra

Nhằm tránh tác động xấu của biến động giá dầu, Chính phủ Thái Lan lên kế hoạch phát triển nguồn năng lượng thay thế, trong đó có việc sử dụng nhiên liệu sinh học song song với các loại nhiên liệu hiện nay Kế hoạch này tập trung việc phát triển nhiên liệu sinh học từ các loài thực vật, trong đó có quả của cây cọ dầu, theo đó sẽ dành khoảng 725

triệu USD xây dựng khoảng 85 nhà máy sản xuất dầu diesel sinh học vào năm 2012 Trước mắt, Cục Phát triển năng lượng thay thế Thái Lan vừa ký thỏa thuận với Ngân hàng Quân đội Thái Lan (TMB) tiến hành nghiên cứu khả thi việc đầu tư khoảng 7,5 triệu USD xây dựng nhà máy sản xuất dầu diesel sinh học tại tỉnh Krabi, miền Nam Thái Lan

Sau hơn 2 năm nghiên cứu thử nghiệm, Công ty Agifish An Giang đã sản xuất thành công dầu diesel sinh học (Biodiesel) từ mỡ cá tra cá basa, với những tính năng vượt trội

so với dầu diesel sản xuất từ dầu mỏ, ít khí thải, không độc hại

Loại dầu này đã được Trung tâm 3 thuộc Tổng cục Tiêu chuẩn đo lường chất lượng kiểm nghiệm đạt tất cả các chỉ tiêu dầu dùng cho động cơ diesel, đem lại hiệu quả kinh tế cao cho người sử dụng Thành công này sẽ góp phần tăng giá trị cá tra cá basa vùng Đồng bằng sông Cửu Long

Những năm gần đây, sản lượng cá tra cá basa làm nguyên liệu chế biến thực phẩm xuất khẩu của Đồng bằng sông Cửu Long mỗi năm trên 250.000 tấn, trong đó lượng mỡ

cá 30.000 tấn Hầu hết mỡ cá vẫn được cho các công ty chế biến thức ăn gia súc với giá rất thấp

Với ý tưởng đưa mỡ cá vào làm nguồn nhiên liệu thay thế một phần nhiên liệu từ dầu mỏ, tháng 1/2004, Công ty Agifish bắt đầu nghiên cứu sản xuất dầu biodiesel từ mỡ

cá tra, cá basa, đến tháng 12/2005 thì công trình hoàn tất Từ tháng 1/2006 đến nay sản phẩm đã được nhiều cơ sở chạy máy dầu sử dụng

Các nhà máy sản xuất gạch ống ở Long Xuyên và huyện Châu Thành cho biết sử dụng dầu

biodiesel ngoài giảm thiểu ô nhiễm môi trường, bảo vệ được sức khỏe, còn tiết kiệm gần 50.000 đồng/1.000 viên gạch so với sử dụng dầu thông thường

3.2 Cồn Ethanol

3.2.1 Sản xuất ethanol

Ethanol là nhiên liệu dạng cồn, được sản xuất bằng phương

pháp lên men và chưng cất các loại ngũ cốc chứa tinh bột có thể chuyển hóa thành đường đơn như ngô, lúa mạch, lúa mì, củ cải đường, củ sắn Ethanol còn được sản xuất từ các loại cây cỏ có chứa cellulose Nhiên liệu này có thể làm giảm lượng khí phát thải của xăng và là chất phụ gia để tăng trị số ốc-tan, loại trị số đo khả năng kích nổ Các quốc gia phát triển hay đang phát triển đều có thể sản xuất được ethanol do công nghệ điều chế không đòi hỏi ở mức cao siêu Ethanol là ethyl alcohol, được chế tạo từ phương pháp tổng hợp hay lên men các chất hữu cơ như: nước ép trái cây, rỉ đường, bã mía, tinh bột sắn,

tinh bột ngô, … Ethanol có thể được sản xuất dưới hai dạng hydrous (có nước) hoặc anhydrous (tinh chất không có nước) Ethanol sản xuất trong công nghiệp thường là anhydrous, chứa 93% đến 96% ethanol và 4% đến 7% nước (theo thành phần thể tích) Ethanol (hoặc ethyl alcohol) có công thức hoá học là CH3 CH2OH

Theo các nhà khoa học, về mặt nhiệt lượng thì 1,5 lít ethanol có thể thay cho 1 lít xăng Nếu pha ethanol vào xăng, tùy theo độ tinh khiết của chúng có thể giảm lượng xăng khoảng 10 - 15% mà công suất, hiệu suất và độ mài mòn động cơ hầu như không đổi Do

có nguồn gốc từ cây trồng nên ethanol mang lại rất nhiều lợi ích: an toàn năng lượng, giá nhiên liệu thấp, giảm khí CO2, tái sinh nền nông nghiệp, tạo thêm nhiều việc làm cho nông dân và bảo vệ lớp đất bề mặt Việc sản xuất ethanol từ nguyên liệu sinh khối như: rơm, cành cây nhỏ, củi tre đang có dấu hiệu rất khả quan, báo hiệu thời điểm đẩy mạnh việc sản xuất và sử dụng nguồn nhiên liệu vô tận đang đến

Từ kinh nghiệm của Bra-xin, gần đây, các quốc gia phát triển như Mỹ, Đức, Nhật Bản cũng đặc biệt quan tâm đến ethanol và các loại nhiên liệu sinh học khác Mới đây, một ủy ban của Thượng viện Mỹ đã nhất trí thông qua nghị quyết đòi hỏi các nhà máy lọc dầu nước này phải tăng lên hơn gấp 2 lần việc sử dụng ethanol và các loại nhiên liệu có thể tái tạo được trước năm 2012 Điều này có thể hạn chế việc nhập tới 2 tỷ thùng dầu thô trong khoảng từ năm 2006 đến 2012 Tất nhiên, trong cuộc chạy đua này, các hãng sản xuất ô tô hàng đầu như Ford, Mercedes, General Motor, Daimler Chrysler, Toyota, Nissan cũng đã có kế hoạch dài hơi để sản xuất những chiếc xe dùng nhiên liệu ethanol

Về nguồn nguyên liệu sản xuất ethanol, nước ta không gặp bất lợi khi có vùng trồng mía, lương thực và các cây lấy dầu khá lớn Hiện các nhà máy đường trong nước đều có phân xưởng sản xuất ethanol và CO2 từ rỉ đường Vấn đề lúc này là làm sao nâng cao độ tinh khiết trước khi có thể dùng chúng làm nhiên liệu

Mới đây, nhóm nghiên cứu của PGS Trần Khắc Chương, ĐH Bách khoa TP Hồ Chí Minh đã công bố nghiên cứu thành công quy trình công nghệ có thể sản xuất ra loại hóa chất phục vụ điều chế xăng sinh học từ những nguồn nguyên liệu trong nước Để sản xuất được xăng sinh học đủ tiêu chuẩn thì nhất thiết phải có loại cồn 100% (cồn tuyệt đối), tức ethanol Hiện tại, nhóm đã hoàn chỉnh quy trình công nghệ và thiết kế, chế tạo mô hình thử nghiệm sản xuất cồn tuyệt đối đạt công suất khoảng 100 kg/ngày và sử dụng loại hóa chất do chính nhóm chế tạo Ông Chương cho biết, một khi đã giải quyết được vấn đề sản

xuất cồn tinh khiết 100% bằng công nghệ trong nước với quy mô công nghiệp thì việc điều chế ra xăng sinh học là việc nằm trong tầm tay của giới khoa học

Với một nước phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn xăng dầu nhập khẩu như Việt Nam hiện nay, việc nghiên cứu nhằm sử dụng và sản xuất ethanol là việc làm rất đáng lưu tâm 3.2.2 Tính chất của cồn ethanol

Cồn ethanol là có độ octane cao, loại bỏ hoàn toàn các phụ gia có chứa chì trong xăng, nhiệt lượng xấp xỉ với xăng dầu nhưng cũng có nhược điểm là phát thải nhiều khí NOx và tác dụng ăn mòn kim loại, ăn mòn các loại nhựa lớn hơn xăng thông thường

Về mặt kỹ thuật, tăng thêm 10% Ethanol vào xăng có nghĩa chỉ số octane tăng thêm 3 điểm, hiệu suất nhiên liệu tăng và khi hàm lượng oxygen tăng trong Ethanol đảm bảo xăng được đốt sạch hơn, giảm khí thải CO, CO2 qua ống bô, góp phần bảo vệ môi trường không khí trong sạch Về mặt kinh tế, ngoài việc không phải chi một lượng lớn ngoại tệ để nhập khẩu xăng dầu, còn giúp giảm giá xăng xuống một ít, giá trị hoá được những phế thải nông nghiệp, phát triển công nghiệp sản xuất cồn tạo thêm công ăn việc làm cho xã hội và tăng thu nhập cho nông dân

Cồn ethanol có nhiệt trị nhỏ hơn xăng khoảng 25,898 MJ/kg, và gây ăn mòn các chi tiết trong động cơ

3.2.3 Ứng dụng của cồn

1) Phạm vi ứng dụng Sản lượng cồn dùng làm nhiên liệu trên thế giới ngày càng tăng dần: năm 1980 chỉ đạt 10 triệu tấn, nhưng đến năm 2001 đã đạt 26 triệu tấn, năm 2002 đạt 34 triệu tấn, năm

2003 đạt đến 40 triệu tấn Brazil là nước đi đầu với chương trình quốc gia mang tên

“PROANCOL” vào năm 1975, sử dụng cồn ethanol được sản xuất từ bã mía pha vào

xăng với tỷ lệ đến 20% để dùng trong vận tải Brazil có 20 triệu ô tô dùng động cơ cồn ethanol và 17 triệu xe khác sử dụng nhiên liệu hỗn hợp ethanol với xăng, dầu Diesel Từ năm 1975 đến 2002 lượng cồn được sử dụng làm nhiên liệu ở Brazil đã thay thế cho khoảng 210 tỷ lít xăng dầu, tiết kiệm cho quốc gia này trên 52 tỷ USD Brazil đã trở thành nước sản xuất, tiêu thụ và xuất khẩu ethanol số một trên thế giới Với hơn 60.000 đồn điền trồng mía, 300 nhà máy sản xuất ethanol, Brazil đã sản xuất được 13 tỷ lít ethanol mỗi năm (tương đương 200.000 thùng dầu mỗi ngày) trong số đó xuất khẩu hơn 0,5 tỷ lít ethanol mỗi năm Chính phủ cũng đã có chính sách khuyến khích người tiêu dùng mua xe chạy bằng các loại nhiên liệu này Với một quá trình đầu tư phát triển lâu dài trong ngành

công nghiệp mía đường từ lai tạo giống mới để cho năng suất cao, mở rộng diện tích trồng mía (đạt 65 triệu hecta), đến cải tiến công nghệ sản xuất Brazil đã sản xuất ethanol với giá thành 0,23USD/lít (khoảng 3.630 đồng VN) Đó là một thành công rất lớn trong việc tạo ra một nguồn nhiên liệu thay thế sạch, không ô nhiễm môi trường mà còn mở ra khả năng tiêu thụ nông sản cho người nông dân, góp phần tích cực giải quyết nhiều vấn

đề kinh tế xã hội khác

Mỹ bắt đầu thử nghiệm ethanol dùng làm nhiên liệu thay thế từ năm 1976, sau đợt khủng hoảng năng lượng năm 1973 Kể từ năm 1980 quốc hội Mỹ đã công nhận lợi ích của ethanol trong việc dùng làm nhiên liệu, cho phép pha trộn cồn vào xăng dầu với tỷ lệ 10% và giảm thuế để khuyến khích sử dụng nhiên liệu này Các bang Carlifornia, NewYork, Connecticut là những nơi sử dụng rộng rãi nhất xăng pha cồn

Mô hình sử dụng ethanol cho các phương tiện vận tải của Brazil đã được nhiều nơi học tập như Mêhico, Vênezuêla, Costarica, Ecuador, …

Australia đã tiến hành thử nghiệm nhiên liệu diesohol gồm 84,5% Diesel, 15% ethanol (nồng độ 95%) và 0,5% chất phụ gia để làm nhiên liệu trên các phương tiện giao thông công cộng như xe buýt ở các thành phố lớn Sydney, Canberra, Scott, Joseph, với mục đích giảm hiệu ứng nhà kính và ô nhiễm do giao thông đô thị từ năm 1993

Nhiều nước ở châu Á như Trung Quốc, Ấn Độ, Thái Lan cũng đã đề ra các chính sách cụ thể để sử dụng nhiên liệu sinh học

Nhật bản và nhiều quốc gia khác cũng đã có kế hoạch sử dụng ethanol trong thời gian sắp tới

2) Chỉ tiêu chất lượng

Bảng 3.1 Đặc tính cồn ethanol 95%

Các chỉ tiêu / Loại nhiên liệu Cồn ethanol 95%

Thành phần khối lượng , kg/kg 0,496C; 0,124H2; 0,33O2;

0,05H2O

Thành phần khối lượng, kg/lít 0,397C; 0,099H2; 0,264O2;

0,04H2O

Khối lượng riêng ở 150C (kg/dm3) 0,80

Nhiệt trị hoà khí Q′ t (MJ/m3 TC) 3,736*

Lượng không khí cần thiết để đốt cháy 1kg nhiên

liệu:

-theo khối lượng, (kg/kg)

-theo thể tích, (m3/kg)

8,4 6,5

3.3 BIODIESEL

3.2.1 Sản xuất BIODIESEL

Biodiesel là methyl este của những axít béo Để sản xuất Biodiesel người ta pha

khoảng 10% mêtanol vào dầu thực vật và dùng nhiều chất xúc tác khác nhau (đặc biệt là

hiđrôxít kali, hiđrôxít natri và các ancolat) Ở áp suất thông thường và nhiệt độ vào

khoảng 60°C liên kết este của glyxêrin trong dầu thực vật bị phá hủy và các axít béo sẽ

được este hóa với mêtanol Chất glyxêrin hình thành phải được tách ra khỏi dầu Biodiesel

sau đấy

Sự chuyển hoá este

Estergroup

Nguyên liệu sản xuất Biodiesel khá phong phú, nhưng hiện nay trên thế giới chủ yếu

sử dụng: dầu cấy cải dầu, dầu đậu nành, dầu cây hướng dương, dầu dừa, dầu hạt cau, … Chữ đầu từ dùng cho tất cả các methyl este từ dầu thực vật theo DIN EN 14214 là PME Tùy theo loại nguyên liệu cơ bản người ta còn chia ra thành:

- RME: Mêthyl este của cây cải dầu (Brassica napus) theo DIN EN 14214 (có giá trị toàn châu Âu từ 2004)

- SME: Mêthyl este của dầu cây đậu nành hay dầu cây hướng dương

- PME: Mêthyl este của dầu dừa hay dầu hạt cau

Ở Việt Nam, đãcó nhiều nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng Biodiesel Theo báo Sài gòn giải phóng,19/09/2006 thì nhóm các nhà khoa học gồm TS Nguyễn Đình Thành, Th.s Phạm Hữu Thiện, KS Võ Thanh Thọ và Lê Trần Duy Quang cũng đã có công trình tổng hợp biodiesel từ nguồn dầu mỡ phế thải (mỡ cá basa, dầu ăn phế thải)

Sản lượng:

Bảng 3.2 Sản lượng dầu thu được từ các loại nông sản

1 Oil or Fat

H H

C

C

O

R 1 O

H

C

C

O

R 2 O

H

C

C

O

R 3 O

H

+ H O C H 3

+ H O C H 3

+ H O C H 3

C

O

R 1 O CH 3

C

O

R 2 O CH 3

C

O

R 3 O CH 3

Na+

1 Triglycerid

1 Tri-Ester

H

+ 3 Alcohol

3 Methyl ester

+ 3 Methanol

+

H

C O

H

H

C

H O

H

C

H O H

Catalyst

H H H

H C H

H C H

H C H

H C H

C H

H C

H C H

H C H

H C H

H C H

C H

H

C H

C H

H H H H H

C H

C H C H

C C H H

Example for R:

Loại nông sản kg oil/ha litres oil/ha lbs oil/acre US gal/acre

3.2.2 Tính chất của BIODIESEL

B100 có tính chất hóa học và vật lý tương tự diesel và trong vài trường hợp có thể

thay thế cho diesel với lượng nhỏ mà không cần hiệu chỉnh động cơ hoặc hệ thống nhiên

liệu B100 có hàm lương lưu huỳnh thấp hơn diesel, hàm lượng lưu huỳnh trong B100

nhỏ hơn 15ppm Chứa 11% oxi và có TSXT cao hơn diesel, tạo điều kiện cho quá trình

cháy hoàn thiện hơn và mức phát thải ít hơn

Để sử dụng B100 như một nhiên liệu độc lập cho động cơ diesel, cần lưu ý các đặc

điểm sau:

B100 là một dung môi tốt Nó có thể làm nở ra hoặc hòa tan các cặn trong bình

nhiên liệu và hệ thống nhiên liệu Vì thế, nếu hệ thống nhiên liệu có nhiều cặn bẩn nên

rữa sạch thùng chứa và hệ thống trược khi sử dụng B100 Bên cạnh đó, biodiesel sẽ phân

hủy các ống dẫn nhiên liệu và các vòng đệm bằng cao su

B100 có nhiệt độ đông đặc cao hơn diesel, là vấn đề cần tính toán trước khi sử dụng

B100 bắt đầu kết tinh (vẩn đục) ở khoảng -3oC ÷ 12oC (35°F ÷ 60°F) Khi bắt đầu đặc, độ

nhớt tăng lên, tăng tới mức cao hơn cả diesel, là nguyên nhân tăng trợ lực cho bơm cung

cấp và cho cả vòi phun nhiên liệu Vì thế vùng có khí hậu lạnh nên dùng hỗn hợp của biodiesel Khi chất lượng tia phun không tốt nhiên liệu không cháy kiệt, phần nhiên liệu bám vào thành xi lanh sẽ lọt xuống các-te, biodiesel bị phân hủy do nhiệt độ cao tại đây, tạo ra các chất cặn thể rắn hay ở dạng keo Chúng sẽ làm giảm đi tính bôi trơn của dầu bôi trơn và dẫn đến động cơ bị hao mòn nhiều hơn Vì thế mà nên rút ngắn thời kỳ thay nhớt khi sử dụng RME

Bảng 3.3 Tiêu chuẩn kỹ thuật của diesel và biodiesel:

Độ nhớt động học, @ 40oC 1.3÷4.1 4.0÷6.0

Khối lượng riêng kg/l @ 60oF 0.85 0.88

3.2.3 Ứng dụng của BIODIESEL

Biodiesel dùng kết hợp với diesel bằng các hỗn hợp B1, B2, B5, B20 lúc này hệ thống nhiên liệu động cơ diesel hầu như ít thay đổi, công suất động cơ giảm ít, hàm lượng khí thải CO, HC giảm và NOx tăng ít Nhưng khi hàm lượng biodiesel lớn hơn 20%kl thì công suất của động cơ giảm, suất tiêu hao nhiên liệu giảm, động cơ ít ồn hơn, hàm lượng

CO, HC trong khí thải giảm và NOx trong khí thải tăng nhanh

5.2.1 Sản xuất BIOGAS

Biogas là kết quả phân hủy các chất hữu cơ trong môi trường thiếu không khí Các chất hữu cơ (cây cối, rơm rạ, xác sinh vật, các chất thải từ quá trình chế biến thực phẩm ), các chất thải từ quá trình chăn nuôi Biogas chứa chủ yếu methane (50-70%) và

CO2 (25-50%) còn lại là các chất khác như N2, O2, H2S, CO…

Bảng 3.4 Thành phần khí biogas

5.2.2 Tính chất của BIOGAS

CH4 được mệnh danh là nhiên liệu “sạch”, có nhiệt trị cao, nhiệt trị thấp của CH4

là 1012 Btu/ft3 (37,71.103KJ/m3) 1m3 CH4 khi cháy tỏa ra một nhiệt lượng tương đương với 1,3kg than đá, 1,15 lít xăng, 1,7 lít cồn hay 9,7kwh điện Nếu sử dụng biogas làm nhiên liệu, 1m3 khí biogas có thể cung cấp cho động cơ 1 sức ngựa chạy trong 2 giờ Vì vậy nếu khí biogas được lọc sạch các tạp chất thì chúng sẽ là nguồn nhiên liệu thay thế rất

lý tưởng để chạy động cơ đốt trong trên cơ sở các thành tựu đã đạt được về động cơ sử dụng nhiên liệu khí

5.2.3 Ứng dụng của BIOGAS và vấn đề cần giải quyết khi sử dụng biogas làm

nhiên liệu

a) Ứng dụng của BIOGAS

Do CH4 có nhiệt tri cao nên có thể sử dụng Biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong Khi đó yêu cầu phải xử lý Biogas trước khi sử dụng vì H2S là một khí rất độc tạo nên hỗn hợp nổ với không khí Khí H2S có thể ăn mòn các chi tiết trong động cơ, sản phẩm của nó là SOx cũng là một khí rất độc Hơi nước có hàm lượng nhỏ nhưng ảnh hưởng đáng kế đến nhiệt độ ngọn lửa, giới hạn cháy, nhiệt trị thấp và tỷ lệ không khí/nhiên liệu của Biogas