Nghiên cứu tối ưu hóa trị số octane và áp suất hơi bão hòa trong xăng khoáng nhằm pha trộn với ethanol tạo sản phẩm xăng sinh học

Một trong những loại nguyên liệu sinh học đề cập ở trên thì cồn sinh học bioethanol được sử dụng nhiều trong các nghiên cứu pha trộn với xăng truyền thống để tạo ra loại nhiên liệu mang

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



TRƯƠNG THỊ THU HÀ

NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA TRỊ SỐ OCTANE VÀ

ÁP SUẤT HƠI BÃO HÒA TRONG XĂNG KHOÁNG NHẰM PHA TRỘN VỚI ETHANOL TẠO SẢN PHẨM XĂNG SINH HỌC

Chuyên ngành: Kỹ thuật Hoá học

Mã số: 8520301

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC

Đà Nẵng – Năm 2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trương Hữu Trì

Phản biện 1: TS Nguyễn Thị Thanh Xuân

Phản biện 2: TS Nguyễn Đình Thống

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ ngành Kỹ thuật Hoá học họp tại Trường Đại học

Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 30 tháng 8 năm 2019

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, ĐHĐN tại Trường Đại học Bách khoa

 Thư viện Khoa Hoá, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

Năng lượng đã đi vào cuộc sống hằng ngày của con người và

nó có vai trò rất lớn thể hiện sự tồn tại, phát triển và chất lượng cuộc sống của chúng ta

Năng lượng được hiểu là dạng vật chất có khả năng sinh công, bao gồm nguồn năng lượng sơ cấp: than, dầu, khí đốt và nguồn năng lượng thứ cấp: là nhiệt năng, điện năng được sinh ra thông qua quá trình chuyển hoá năng lượng sơ cấp

Con người có thể thu nhận năng lượng từ nhiều nguồn khác nhau, nhưng nguồn nhiên liệu hóa thạch từ các tài nguyên thiên nhiên chứa hàm lượng cacbon và hydrocacbon cao nên đang được sử dụng nhiều nhất, và có thể chiếm trên 86% nguồn cung cấp năng lượng sơ cấp Hiện nay, lượng tiêu thụ từ ba nguồn cung cấp khí, than, dầu mỏ

đã, đang và sẽ tăng lên hàng năm, thậm chí là tăng rất nhanh Tuy nhiên năng lượng hóa thạch là tài nguyên có hạn, do đó khi quá trình khai thác quá nhanh thì trữ lượng của chúng sẽ giảm xuống và đến thời điểm mà tại đó việc khai thác sẽ không còn đem lại lợi nhuận hoặc không thể khai thác được nữa Quy luật này được Hubbert nêu

ra trong học thuyết đỉnh điểm Hubbert Do tính hữu hạn của nguồn nhiên liệu hóa thạch và những tác động đến môi trường gây một số hậu quả đến môi trường sống, ảnh hưởng trực tiếp đến chính con người nên không chỉ riêng các nước thuộc khối ASEAN mà thế giới đang dần chuyển dịch theo hướng hệ thống năng lượng bền vững Nhiều nỗ lực đã và đang được thực hiện nhằm tìm kiếm những nguồn năng lượng tái tạo dồi dào hơn, đa dạng hơn và thân thiện hơn Nguồn năng lượng mới đang được quan tâm từ những thập niên gần đây là nhiên liệu sinh học (NLSH) Ðây là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc từ động thực vật Nhiên liệu này

có thể chế xuất từ chất béo của động thực vật như mỡ động vật, dầu

dừa…; từ ngũ cốc như lúa mỳ, khoai, ngô, đậu tương…; từ chất thải trong nông nghiệp như rơm rạ, chất thải chăn nuôi…; từ sản phẩm thải trong công nghiệp như mùn cưa, gỗ thải… Loại nhiên liệu này

có nhiều ưu điểm nổi bật so với các nhiên liệu truyền thống (dầu mỏ, than đá…) như thân thiện với môi trường và là nguồn nhiên liệu tái tạo, giúp giảm sự lệ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch Nhiêu liệu sinh học thường được phân thành các nhóm sau:

Cồn sinh học (Bioethanol): Là cồn (ethanol) được sản xuất thông qua quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ chứa tinh bột (ngô, sắn), các vật liệu cellulose, lignocellulose (rơm rạ, bã mía, vỏ trấu, ) Việc sản xuất cồn sinh học từ sinh khối và phế thải nông nghiệp hiện được phát triển và là hướng đi có nhiều triển vọng

Diesel sinh học (Biodiesel): Sản xuất từ các loại dầu sinh học, thường thực hiện thông qua quá trình chuyển hóa bằng cách cho phản ứng với các loại rượu phổ biến là methanol Diesel sinh học có thể sử dụng thay thế cho diesel có nguồn gốc dầu mỏ

Khí sinh học (Biogas): Được tạo ra sau quá trình ủ lên men các loại vật liệu hữu cơ Sản phẩm tạo thành ở dạng khí (khí methane và đồng đẳng khác), có thể dùng làm nhiên liệu đốt cháy thay cho khí từ dầu mỏ Sản xuất khí sinh học đã được phát triển từ khá lâu và đã có nhiều nơi triển khai rộng rãi

Một trong những loại nguyên liệu sinh học đề cập ở trên thì cồn sinh học (bioethanol) được sử dụng nhiều trong các nghiên cứu pha trộn với xăng truyền thống để tạo ra loại nhiên liệu mang tên xăng sinh học và đã sử dụng phổ biến trong giao thông đường bộ (cho các loại động cơ đốt trong như xe ô tô và xe gắn máy) Và điều này đã giảm thiểu sự ô nhiễm môi trường một cách đáng kể

Nhận thức được những lợi ích mà nguồn nhiên liệu sinh học đem lại, đã có nhiều nghiên cứu và ứng dụng triển khai thực tế để sử

dụng loại xăng sinh học (được pha trộn từ ethanol với xăng truyền thống) tại các nước trên thế giới và tại Việt Nam Tuy nhiên, việc pha trộn này chủ yếu thực hiện trên nền xăng khoáng có trị số octane tối thiểu là 92,0 Điều này chưa mang lại lợi ích kinh tế thực sự

Với nhận định nêu trên, tác giả xin được lựa chọn đề tài:

“Nghiên cứu tối ưu hóa trị số octane và áp suất hơi bão hòa trong xăng khoáng nhằm pha trộn với ethanol tạo sản phẩm xăng sinh học” cho luận văn thạc sĩ của mình

Mục tiêu của việc nghiên cứu nhằm tính toán, phân tích đánh giá và lựa chọn ra được trị số RON và RVP phù hợp của xăng khoáng pha trộn từ các cấu tử Mixed C4; Isomerate/Light Naphtha; Reformate; RFCC Naphtha; Full range naphtha được sản xuất từ BSR để pha trộn với ethanol công nghiệp nhằm đạt được xăng sinh học E5, E10 có các yêu cầu kỹ thuật phù hợp với TCVN 8063:2015, QCVN 1:2015/BKHCN và sửa đổi 1:2017 QCVN 1:2015/BKHCN, mang lại lợi nhuận cao hơn và đáp ứng kỳ vọng của ngành công nghiệp hiện đại vì một môi trường xanh

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 1.1 Cơ sở và mục tiêu nghiên cứu

1.1.1 Cơ sở nghiên cứu

Nhiên liệu sinh học (NLSH) đã được nhiều nước trên thế giới

sử dụng từ những năm 70 của thế kỷ trước Đến nay, đã có khoảng trên 50 quốc gia trên thế giới sử dụng nhiên liệu sinh học và Việt Nam cũng đã thiết lập đề án phát triển NLSH từ năm 2007, đến tháng 8/2010 PV Oil là đơn vị đầu tiên trong nước thực hiện nghiên cứu, sản xuất, đưa vào sử dụng thí điểm xăng sinh học E5 RON92 và kinh doanh chính thức

Nhiều nghiên cứu đã chỉ rõ, động cơ sử dụng xăng sinh học E5 tạo ra rất ít khí thải CO và HC, ít hơn hẳn các loại xăng thông dụng tới 20% Do sự có mặt của thành phần oxy trong xăng sinh học E5 là yếu tố giúp cho nhiên liệu được cháy triệt để hơn Đây là cơ sở tạo ra

ít khí thải độc hại CO và HC Ngoài việc giảm đáng kể thành phần khí CO và HC, khả năng tăng tốc của xe cũng tốt hơn đối với xăng sinh học E5

Bên cạnh đó, việc pha trộn ethanol vào xăng còn giúp các doanh nghiệp tiết kiếm được chi phí pha trộn Đặc biệt, giá của loại xăng sinh học này cũng thấp hơn các loại xăng khác cho nên sẽ phù hợp với túi tiền của người tiêu dùng và tạo cho họ có thêm điều điện

để lựa chọn nhiên liệu sử dụng

Đối với sản phẩm xăng sinh học, ngoài những yếu tố nêu trên, việc phối trộn ethanol vào xăng mang lại lợi nhuận kinh tế cao vì cấu

tử này giúp cải thiện trị số octane thay vì phải phối trộn từ các cấu tử reformate có giá thành cao

Với vai trò quan trọng trong sự cân bằng nhiên liệu của thế giới, lợi ích kinh tế lớn và tác động tích cực đối với môi trường, trong tương lai gần, triển vọng thị trường xăng sinh học ethanol được khẳng định sẽ gia tăng mạnh mẽ và là xu thế tất yếu của sự phát triển.Với tầm nhìn chiến lược, hiện nay rất nhiều quốc gia trên thế giới đã đưa vào sử dụng nhiên liệu sinh học, đặc biệt là xăng sinh học

Các tỷ lệ pha trộn vào xăng truyền thống có thể thay đổi trong một khoảng rộng, gồm có E5 (5%), E10 (10%), E85 (85%) và E100 (100%) Trong khuôn khổ của luận văn, tác giả sẽ tập trung các thử nghiệm để tạo xăng E5, E10

1.1.2 Tính cấp thiết, mục tiêu và ý nghĩa nghiên cứu

1.1.2.1 Tính cấp thiết

Xuất phát từ thực tế sản xuất và phân phối xăng E5 trên địa bàn tỉnh Quảng Ngãi từ ngày 30/7/2014 theo quyết định 879/QĐ-UBND của Ủy Ban nhân dân tỉnh Quảng Ngãi ngày 19/6/2014 và Thông báo kết luận số 255/TB-VPCP ngày 06 tháng 6 năm 2017 về

“thực hiện Đề án phát triển nhiên liệu sinh học và Lộ trình áp dụng tỷ

lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống” Cho phép tồn tại hai loại xăng: RON 92 và E5 RON92 đến hết ngày 31 tháng 12 năm 2017 Kể từ ngày 01 tháng 01 năm 2018, chỉ cho phép sản xuất kinh doanh xăng E5 RON 92 và xăng khoáng RON 95 nhằm góp phần bảo đảm mục tiêu an ninh năng lượng, giảm dần sự lệ thuộc vào xăng khoáng, cải thiện môi trường, đồng thời thực hiện tốt các cam kết của Chính phủ Việt Nam với quốc tế về giảm khí thải nhà kính, góp phần tạo thu nhập bền vững cho khu vực nông nghiệp và thúc đẩy tái cơ cấu ngành nông nghiệp Theo đó, từ ngày 1/1/2018 cho đến nay, trên thị trường Việt Nam không sử dụng xăng RON92 nữa mà xăng E5 RON92 được đưa vào sử dụng cùng với xăng RON95 trên toàn quốc Từ khi triển khai thực hiện, BSR đã sản xuất cung cấp xăng khoáng có trị số RON 92 đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn, quy chuẩn dùng để sản xuất pha chế xăng E5 RON92 nên việc phối trộn sản phẩm xăng thương mại này chưa đem lại lợi nhuận cho Nhà máy

Một thực tế trị số RON của xăng E5 RON92 trên thị trường đạt khoảng 93,2-93,5 vượt mức yêu cầu tối thiểu 1,2-1,5 đơn vị RON Cho nên tối ưu hoá giá trị RON của xăng gốc mà vẫn đảm bảo khi pha xăng sinh học đạt TCVN 8063:2015 và quy chuẩn quốc gia QCVN 1:2015/BKHCN là việc làm mang lại lợi ích kinh tế cho NMLD Dung Quất Bên cạnh đó giá trị RVP xăng khoáng RON92 trên thị trường cho phép theo TCVN, QCVN đến 75 kPa khi pha trộn với E5 rất dễ vượt TCVN 8063:2015 và quy chuẩn quốc gia QCVN

1:2015/BKHCN, điều này làm tăng khả năng tạo nút hơi và gây hao hụt do bay hơi trong bảo quản đồng thời lượng hydrocacbon thất thoát ra môi trường gây ô nhiễm và dễ cháy nổ trong quá trình tồn trữ, vận chuyển và phân phối

Với những phân tích vừa nêu, tác giả lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu tối ưu hóa trị số Octane và áp suất hơi bão hòa trong xăng khoáng nhằm pha trộn với ethanol tạo sản phẩm xăng sinh học” cho luận văn thạc sĩ của mình và đó cũng là nhiệm vụ rất cần thiết không chỉ đối với BSR mà còn đối với các Nhà máy Lọc dầu hay các Công

ty kinh doanh xăng dầu khác

1.1.2.2 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu ảnh hưởng các chỉ tiêu chất lượng sản phẩm khi phối trộn ethanol từ 1-10 %vol vào xăng khoáng có RON92 và RON95

- Xây dựng, chứng minh việc phối trộn xăng khoáng từ các cấu

tử trung gian của NMLD DQ có trị số RON phù hợp (thấp hơn 92, 95) khi pha trộn với Ethanol tạo xăng sinh học thương mại E5, E10 RON 92/95 đạt yêu cầu

1.1.2.3 Ý nghĩa

- Tăng khả năng sản xuất xăng thương phẩm RON95, giảm giá thành xăng khoáng pha E5, khuyến khích người tiêu dùng sử dụng xăng sinh học E5/E10;

- Tối ưu hóa trong sản xuất, chống gian lận trong kinh doanh xăng dầu và tăng lợi ích kinh tế Nhà nước

1.2 Các nghiên cứu thử nghiệm, ứng dụng xăng sinh học

Trong phần này sẽ trình bày, giới thiệu các nội dung về:

1.2.1 Giới thiệu về nhiên liệu xăng sinh học

1.2.2 Các nghiên cứu và ứng dụng xăng sinh học trên thế giới

1.2.3 Các nghiên cứu và ứng dụng trong nước

1.3 Thị trường Việt Nam và định hướng sản xuất

1.3.1 Tình hình sử dụng Xăng sinh học tại Việt Nam

1.3.2 Tình hình sản xuất ethanol trong nước

1.3.3 Tình hình sản xuất xăng khoáng trong nước

1.4 Quy trình Công nghệ sản xuất xăng sinh học

1.4.1 Công nghệ sản xuất và yêu cầu kỹ thuật đối với ethanol

1.4.2 Công nghệ sản xuất và yêu cầu kỹ thuật đối với xăng khoáng

1.4.3 Quy trình phối trộn sản xuất xăng sinh học RON92/95 1.4.4 Quá trình xuất bán xăng sinh học

CHƯƠNG 2 - NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT

2.1 Phần mềm tính toán, tối ưu hóa LP và ứng dụng

2.1.1 Giới thiệu phần mềm LP (Linear Programing)

Phần mềm LP được thiết kế theo mô hình toán học quy hoạch tuyến tính nhằm ứng dụng để giải bài toán tối ưu, tìm ra một sự kết hợp tốt nhất dựa trên những dữ liệu hữu hạn đã biết và thỏa mãn những ràng buộc nhất định

2.1.2 Mô hình phần mềm LP của Nhà máy Lọc dầu Dung Quất

Nhà máy Lọc dầu Dung Quất đang áp dụng phần mềm LP (PrincepsLP: được phát triển bởi Princeps – Pháp), nhằm mục đích: Lập kế hoạch sản xuất, đánh giá lựa chọn khả năng chế biến các loại dầu thô mới, phối trộn dầu thô, và đánh giá kinh tế, chiến lược mua, hoán đổi dầu thô; Thay đổi các chế độ vận hành, thử nghiệm các chế độ vận hành các phân xưởng công nghệ, đánh giá khả năng làm tăng lợi nhuận, thay đổi tỉ lệ cấu tử phối trộn pha trộn xăng,

thay đổi tăng/giảm điểm cắt Naphtha-Kero,…); Đánh giá hiệu quả kinh tế cho các dự án cải hoán, lắp đăt thiết bị mới,

2.1.3 Quy trình tinh chỉnh, cập nhật mô hình LP NMLD Dung Quất

Để mô hình LP phản ánh khả năng vận hành, độ linh động của Nhà máy và thực tế sản xuất Việc chỉnh sửa, cập nhật mô hình cần thực hiện 1 lần/tháng trên cơ sở so sánh kết quả LP với dữ liệu thực

tế sản xuất hoặc có sự thay đổi bất thường

2.1.4 Đánh giá kiểm tra tính chính xác của mô hình LP

Định kỳ 3 năm/lần thuê nhà tư vấn bên ngoài đủ năng lực/kinh

nghiệm đánh giá toàn diện mô hình LP của Nhà máy

2.2 Quy trình tính toán phối trộn xăng khoáng RON 92/95

2.2.1 Giới thiệu về hệ thống phối trộn sản phẩm xăng

2.2.2 Tính chất cần chú ý trong quá trình tính toán phối trộn

2.2.3 Công thức tính toán tính chất mẻ trộn

Tính chất mẻ trộn sẽ tuyến tính theo thể tích từng cấu tử: Tỷ trọng, RON, hàm lượng benzene, hàm lượng aromatic và hàm lượng olefin

2.2.4 Sơ đồ phối trộn và tồn chứa Xăng khoáng

2.2.5 Các giới hạn vận hành và lập lệnh phối trộn

2.3 Hệ thống phối trộn tự động và hệ thống nạp phụ gia

2.3.1 Hệ thống tự động tối ưu phối trộn

2.3.2 Hệ thống nạp phụ gia

2.4 Các thiết bị và phương pháp thử nghiệm

2.5 Xác nhận giá trị sử dụng của phương pháp thử trên thiết bị thử nghiệm

Mục đích của nội dung này nhằm đánh giá mức độ tin cậy, ổn định của 2 phép thử nghiệm được đề cập trong nghiên cứu trên thiết

bị sử dụng tại PTN – BSR Điều này cũng tuân thủ theo hệ thống quản lý năng lực phòng thí nghiệm theo ISO/IEC 17025, đảm bảo hệ thống được tuân thủ, luôn theo dõi, quản lý chung về hoạt động kỹ thuật và đảm bảo kết quả thử nghiệm chính xác, tin cậy

2.5.1 Kiểm tra xác nhận/xác nhận giá trị sử dụng của phương pháp xác định trị số RON

2.5.2 Kiểm tra xác nhận/xác nhận giá trị sử dụng của phương pháp xác định áp suất hơi bão hòa

Qua các nội dung và thông số đánh giá của phương pháp xác định trị số RON, RVP theo ASTM D2699-18 và ASTM 5191-19, cho thấy rằng điều kiện thử nghiệm như: thiết bị, hóa chất, chất chuẩn, chuẩn bị mẫu, môi trường thử nghiệm và năng lực thử nghiệm của thử nghiệm viên điều đáp ứng và thỏa mãn yêu cầu của phương pháp

CHƯƠNG 3 - THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 3.1 Phương pháp nghiên cứu

3.1.1 Nguyên liệu

- Các cấu tử pha trộn xăng, xăng khoáng thương phẩm RON 92/95 gồm: Mixed C4; Isomerate/Light Naphtha; Reformate; RFCC Naphtha; Full range naphtha được lấy từ cụm phân xưởng công nghệ của NMLD Dung Quất

- Ethanol không biến tính: từ Công ty Cổ phần Nhiên liệu Tùng Lâm

3.1.2 Phương pháp nghiên cứu

Trên thực tế phối trộn xăng khoáng thương phẩm tại BSR, tác giả đã thực hiện nghiên cứu, pha trộn mẫu tại PTN - BSR, cụ thể:

- Chuẩn bị các mẫu thử nghiệm pha trộn từ 1 - 10% ethanol vào xăng khoáng thương phẩm RON 92/ 95 của Nhà máy Lọc dầu Dung Quất;

- Sử dụng file Sub-model đã được tách ra từ phần mềm LP và xây dựng bằng các file excel riêng biệt để thực hiện việc tính toán pha trộn xăng khoáng từ các cấu tử; đồng thời thay đổi tỷ lệ các cấu

tử bằng thủ công hoặc sử dụng solver để đạt được tỷ lệ phối trộn sao cho xăng khoáng có giá trị RON, RVP mong muốn theo giới hạn nghiên cứu;

- Phối trộn xăng khoáng từ các cấu tử trung gian (đã tính toán

từ phần mềm LP) để tạo ra bộ xăng khoáng có các giá trị RON, RVP khác nhau;

- Sử dụng các phương pháp phân tích theo tiêu chuẩn ASTM được quy định trong TCVN, QCVN để tiến hành phân tích xác định giá trị thực tế sau pha trộn;

- Pha chế xăng sinh học từ bộ xăng khoáng phối trộn ở trên với

tỉ lệ ethanol thay đổi;

- Phân tích một số chỉ tiêu để xác định tính chất thay đổi của chúng và đưa ra giá trị RON tối thiểu trong xăng khoáng để pha chế xăng sinh học sao cho đạt hiệu quả kinh tế nhất;

- Đánh giá hiệu quả kinh tế với phương án sản xuất xăng khoáng đã lựa chọn dùng để pha chế xăng sinh học

3.2 Khảo sát thực trạng tính chất xăng khoáng và xăng E5 trên thị trường

3.2.1 Tính chất xăng gốc RON 92-II sản xuất tại BSR

Hiện tại, BSR đang sản xuất xăng khoáng RON 92 có tính chất tiêu biểu như bảng bên dưới theo yêu cầu kỹ thuật TCVN 6776:2013

và QCVN 1:2015/BKHCN cung cấp cho các đơn vị pha chế xăng sinh học và BSR cũng thực hiện thuê PVOIL pha chế xăng E5 RON92 đáp ứng TCVN 8063:2015 để cung ứng xăng E5 ra thị trường Quảng Ngãi

15oC

ASTM

D 1298 kg/m

3 Báo cáo 724,5 ÷ 736,1

3.2.2 Tính chất ethanol không biến tính

Nhiên liệu ethanol được dùng thử nghiệm có một số tính chất tiêu biểu:

- Hàm lượng ethanol, % thể tích: 99,71 (yêu cầu ≥ 99,0 - đối với không biến tính và ≥ 92,1 - đối với biến tính)

- Hàm lượng Methanol, % thể tích: 0,04 (yêu cầu ≤ 0,5)

- Hàm lượng nước, % thể tích: 0,258 (yêu cầu ≤ 1,0)

- Khối lượng riêng, tại 15,56oC (60oF), kg/l: 0,7946 (Báo cáo) Theo TCVN, QCVN các chỉ tiêu kỹ thuật về trị số RON và áp suất hơi bão hòa không quy định cho nhiên liệu sinh học gốc dùng để pha trộn với xăng khoáng Tuy nhiên tham khảo trong các tài liệu thì ethanol thường có: Trị số RON khoảng 115 -120; RVP từ 14 – 16 kPa

3.2.3 Tính chất xăng E5 trên thị trường tại tỉnh Quảng Ngãi

Phân tích 3 mẫu xăng tại Trạm bán lẻ xăng dầu Quảng Ngãi cho thấy: Một số chỉ tiêu có sự thay đổi so với xăng khoáng như: RON, RVP, Oxy tổng, hàm lượng nước và khối lượng riêng ở 15oC