Đánh giá khả năng ứng dụng butanol sinh học trong động cơ đốt trong để thay thế một phần xăng thông dụng tại việt nam

Tổng quan về tình hình sản xuất và sử dụng n-butanol sinh học làm nhiên liệu thay thế xăng thông dụng của các nước trong khu vực và trên thế giới.. Thông tin gần đây, Công ty Cổ Phần mía

XĂNG THÔNG DỤNG TẠI VIỆT NAM

Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa dầu

Mã số: 60 53 55

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 03 năm 2012

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Thái Nguyễn Huy Chí

2 TS Phạm Hồ Mỹ Phương – Thư ký Hội đồng

3 TS Nguyễn Vĩnh Khanh – Ủy viên

4 TS Thái Nguyễn Huy Chí – Ủy viên

5 TS Huỳnh Quyền – Ủy viên

6 TS Nguyễn Hữu Lương – Ủy viên

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Huỳnh Hưng Mỹ MSHV: 10400159

Ngày, tháng, năm sinh: 13/07/1976 Nơi sinh: Tiền Giang

Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa dầu Mã số: 60 53 55

I TÊN ĐỀ TÀI: Đánh giá khả năng ứng dụng butanol sinh học trong động cơ đốt

trong để thay thế một phần xăng thông dụng tại Việt Nam

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Đánh giá sự phù hợp về mặt kỹ thuật và môi trường của xăng pha n-butanol sinh học đối với điều kiện Việt Nam, từ đó đề xuất tỷ lệ pha trộn thích hợp của butanol vào xăng thông dụng

1 Tổng quan về một số hợp chất chứa oxy (MTBE, ETBE, TAME, DIPE và butanol) và đánh giá sự phù hợp của n-butanol ứng dụng làm nhiện liệu

2 Tổng quan về tình hình sản xuất và sử dụng n-butanol sinh học làm nhiên liệu thay thế xăng thông dụng của các nước trong khu vực và trên thế giới

3 Pha chế hỗn hợp xăng pha n-butanol có quy cách phẩm chất tương đương với tiêu chuẩn xăng không chì Việt Nam

4 Thử nghiệm ô tô trên băng tải (autotest) chạy xăng pha n-butanol so với xăng thông dụng cùng trị số octan

5 Đánh giá khả năng sử dụng xăng pha n-butanol làm nhiên liệu cho động cơ xăng tại Việt Nam

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/07/2011

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/12/2011

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Thái Nguyễn Huy Chí

Tp HCM, ngày tháng năm 20

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS Thái Nguyễn Huy Chí

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TS Nguyễn Vĩnh Khanh TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

Trân trọng./

Tác giả

Trong pha chế xăng nhiên liệu, một số hợp chất chứa oxy thường được thêm vào xăng gốc để sản phẩm đáp ứng các yêu cầu về kỹ thuật, môi trường và thương mại Các hợp chất chứa oxy dạng ete như MTBE, ETBE, TAME, DIPE… được tổng hợp từ nguồn nguyên liệu hóa dầu nên khi xem xét về ý nghĩa “nhiên liệu xanh” thì công trình này chỉ đề cập đến hợp chất dạng alcohol được sản xuất bằng phương pháp lên men sinh học

Công trình này, tác giả sẽ trình bày kết quả các thử nghiệm đối với xăng pha n-butanol trên các khía cạnh bao gồm: đánh giá độ ổn định chất lượng của nhiên liệu khi tồn trữ bằng bồn chứa ngầm, tác động gây trương nở, ăn mòn vật liệu tiếp xúc; thử nghiệm chạy ô tô trên băng thử sử dụng xăng pha n-butanol so với xăng gốc khoáng Các kết quả thử nghiệm cho thấy xăng pha n-butanol có quy cách phẩm chất, thông số vận hành và tính năng làm việc của nhiên liệu trên xe ô tô là tương đương so với xăng gốc khoáng A95, đồng thời sử dụng xăng pha n-butanol góp phần làm giảm thiểu khí độc hại phát thải ra môi trường Tuy nhiên, việc ứng dụng n-butanol làm nhiên liệu ở điều kiện Việt Nam còn nhiều thách thức do các yếu tố khách quan và chủ quan đặc biệt của loại nhiên liệu này

ABSTRACT

In technology of blending fuel gasoline, several oxygenates are input into gasoline to meet significant requirements for technical characterisic, environment and trading Oxygenates formed “-ETE” such as MTBE, ETBE, TAME, DIPE… are synthesized from petroleum raw materials thus when considering to significantly

“green fuel” then thesis only concerned with “- ALCOHOL form” which is processed

by fermentation cycle

In this thesis, the chief author will present all experimental results for gasoline blended n-butanol (10.5 vol%) - called is butafuel as follow: evaluate to quality stability of butafuel is storing by underground storage tank (UST); evaluate to swelling and wearing impacts to materials (metal and non-metal); test using butafuel run vehicles on Conveyer portal dynamic system (AVL chassis dynamometer 48”) compare to conventional gasoline Experimental results conduct that butafuel meet to specifications of vietnamese gasoline standard, performances and characterisics of butafuel are equivalent to conventional gasoline (RON 95), furthermore using butafuel

to help to decrease emissions down minimum level vs conventional gasoline However, application to use butafuel have many existing subjective and objective challenges in Vietnam

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Báo cáo luận văn thạc sĩ này là công trình khoa học được đầu tư nghiên cứu nghiêm chỉnh Các số liệu, công thức pha chế nhiên liệu và những kết quả trong luận văn là trung thực được thực hiện trên cơ sở tổng hợp tình hình nghiên cứu và ứng dụng của các nước trên thế giới, thực nghiệm trong phòng thí nghiệm, nghiên cứu khảo sát tác động thực tiễn và dưới sự hướng dẫn khoa học của:

TS Thái Nguyễn Huy Chí

Một lần nữa, tôi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam kết trên

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ SỬ DỤNG BUTANOL LÀM NHIÊN LIỆU 4

I.1 Tổng quan về một số hợp chất chứa oxy (MTBE, ETBE, TAME, DIPE và Butanol) và đánh giá sự phù hợp của n-butanol ứng dụng làm nhiện liệu 4

I.1.1 So sánh đặc tính lý hóa và đánh giá xu hướng sử dụng các hợp chất chứa oxy trong nhiên liệu 4

I.1.2 Đánh giá sự phù hợp của n-butanol khi ứng dụng làm nhiên liệu 8

I.2 Tình hình nghiên cứu sản xuất và sử dụng n-butanol làm nhiên liệu động cơ của các nước trên thế giới và khu vực 11

I.3 Nguồn nguyên liệu sản xuất n-butanol, tiềm năng nguyên liệu ở Việt Nam 18

I.3.1 Nguyên liệu phổ biến cho sản xuất n-butanol trên thế giới 18

I.3.2 Công nghệ sản xuất n-butanol phổ biến trên thế giới 19

I.3.2.1 Công nghệ sản xuất n-butanol từ propylen dầu mỏ 20

I.3.2.2 Công nghệ lên men ABE 21

I.3.3 Tiềm năng nguyên liệu Việt Nam 23

I.4 Tiềm năng và xu hướng sử dụng n-butanol thay thế nhiên liệu truyền thống 26

CHƯƠNG II PHA CHẾ HỖN HỢP XĂNG PHA N-BUTANOL CÓ QUY CÁCH PHẨM CHẤT TƯƠNG ĐƯƠNG VỚI TIÊU CHUẨN XĂNG TRUYỀN THỐNG VIỆT NAM 29

II.1 Công thức pha chế và quy cách phẩm chất mẫu xăng pha n-butanol 29

II.2 So sánh và đánh giá đặc tính kỹ thuật của xăng pha n-butanol so với xăng thông dụng, kết luận về đặc tính của xăng pha n-butanol làm nhiên liệu động cơ 33

II.3 Thử nghiệm đánh giá độ ổn định chất lượng khi tồn trữ và tác động đến vật liệu tiếp xúc (kim loại, phi kim loại) của xăng pha n-butanol trong phòng thí nghiệm 35

II.3.1 Thử nghiệm đánh giá độ ổn định chất lượng của xăng pha n-butanol theo thời gian tồn trữ 35

II.3.2 Thử nghiệm đánh giá tác động gây trương nở của xăng pha n-butanol đối với các chi tiết phi kim loại của động cơ xe gắn máy 38

II.3.3 Thử nghiệm đánh giá tác động gây ăn mòn của xăng pha n-butanol đến vật liệu kim loại tiếp xúc 39

II.3.4 Thử nghiệm đánh giá tác động gây trương nở của xăng pha n-butanol đến vật liệu tiếp xúc (phi kim loại): ống nối mềm trụ bơm cây xăng 41

III.1 Thuyết minh quy trình thử nghiệm 44

III.1.1 Nội dung quy trình thử nghiệm 44

III.1.1.1 Nội dung và các chế độ thử nghiệm 45

III.1.1.2 Phương tiện, thiết bị, dụng cụ sử dụng thử nghiệm 48

III.1.1.3 Đối tượng, thời gian và đơn vị hỗ trợ thử nghiệm: 48

III.2 Kết quả chạy thử nghiệm xăng pha n-butanol trên các xe ô tô so với xăng thông dụng có cùng trị số octan 48

III.2.1 Chế độ 1 & chế độ 7: đo áp suất nén và độ lọt khí cac-ter trước và sau khi thử nghiệm 49

III.2.1.1 Áp suất nén trong xy-lanh động cơ: 49

III.2.1.2 Đo lọt khí cac-ter động cơ 52

III.2.2 Chế độ 2: đo đặc tính kéo và công suất kéo ô tô 55

III.2.3 Chế độ 3: đo khả năng tăng tốc 59

III.2.3.1 Chế độ thử tăng tốc trên đường phẳng (độ dốc 0%) 59

III.2.3.2 Chế độ tăng tốc với tốc độ thấp theo chu trình (trong thành phố) 62

III.2.4 Chế độ 4: thử nghiệm khả năng vượt dốc 65

III.2.5 Chế độ 5: đo thành phần khí xả 67

III.2.6 Chế độ 6: đo tiêu hao nhiên liệu 71

III.3 Phân tích, đánh giá và kết luận về tính năng làm việc của xăng pha n-butanol chạy ô tô trên băng thử 74

CHƯƠNG IV ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG XĂNG PHA N-BUTANOL LÀM NHIỆN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ XĂNG TẠI VIỆT NAM 76

IV.1 Về mặt kỹ thuật 76

IV.1.1 Khả năng chống kích nổ 76

IV.1.2 Công suất động cơ và tiêu hao nhiên liệu 77

IV.1.3 Áp suất hơi Reid và độ bay hơi của nhiên liệu xăng pha n-butanol 77

IV.1.4 Chỉ số DI của nhiên liệu 78

IV.1.5 Hàm lượng nước trong xăng pha n-butanol 79

IV.1.6 Độ ổn định chất lượng nhiên liệu trong thời gian tồn trữ 79

IV.1.7 Hao mòn động cơ 79

IV.1.8 Đánh giá về sự tương thích của xăng pha n-butanol đối với cơ sở hạ tầng xăng dầu hiện hữu 80

IV.1.9 Đánh Giá khả Năng Chuyển Đổi Nhà Máy Etanol Để Sản Xuất n-Butanol 81

IV.2 Đánh giá về mặt môi trường 82

V.1 Kết luận 86

V.2 Kiến nghị 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO 91 PHỤ LỤC ĐỀ TÀI

Hình II.1 Lưu đồ pha chế thực nghiệm xăng pha n-butanol 31 Hình II.2 Các chi tiết phi kim loại của động cơ xe gắn máy trước (phía trên) và sau (phía dưới) khi ngâm trong xăng pha n-butanol 38 Hình II.3 Kết quả khảo sát sự ăn mòn mẫu thép CT3 sau 03 tháng 40 Hình II.4 Tồn trữ hai loại ống nối mềm trong 02 bình nhiên liệu 42 Hình II.5 Ống mềm Yokohama trước (trái) và sau (phải) 03 tháng ngâm trong xăng pha n-butanol 42 Hình II.6 Ống mềm Hipress trước (trái) và sau (phải) 03 tháng ngâm trong xăng pha n-butanol 42 Hình III.1 Mô hình thử nghiệm ô tô trên băng thử CD-48” của hãng công nghệ AVL (Cộng Hòa Áo) 44 Hình III.2 Đồ thị diễn biến áp suất nén trong xy-lanh số 03 của xe Mercedes Benz khi chạy xăng thông dụng A95 50 Hình III.3 Đồ thị diễn biến áp suất nén trong xy-lanh số 03 của xe Mercedes Benz khi chạy xăng pha n-butanol 50 Hình III.4 Đồ thị diễn biến áp suất nén trong xy-lanh số 04 của xe Suzuki khi chạy xăng thông dụng A95 51 Hình III.5 Đồ thị diễn biến áp suất nén trong xy-lanh số 04 của xe Suzuki khi chạy xăng pha n-butanol 51 Hình III.6 Đồ thị so sánh độ lọt khí cac-ter khi xe chạy theo chu trình ECE 15/04 của

xe Mercedes Benz chạy xăng A95 53 Hình III.7 Đồ thị so sánh độ lọt khí cac-ter khi xe chạy theo chu trình ECE 15/04 của

xe Mercedes Benz chạy xăng pha n-butanol 53 Hình III.8 Đồ thị so sánh độ lọt khí cac-ter khi xe chạy theo chu trình ECE 15/04 của

xe Suzuki Carry chạy xăng A95 54 Hình III.9 Đồ thị so sánh độ lọt khí cac-ter khi xe chạy theo chu trình ECE 15/04 của

xe Suzuki Carry chạy xăng pha n-butanol 54 Hình III.10 Đồ thị biến thiên lực kéo xe Mercedes Benz ở các mức tải động cơ theo vận tốc xe khi chạy xăng A95 56 Hình III.11 Đồ thị biến thiên lực kéo xe Mercedes Benz ở các mức tải động cơ theo vận tốc xe khi chạy xăng pha n-butanol 57 Hình III.12 Đồ thị biến thiên lực kéo xe Suzuki Carry ở các mức tải động cơ theo vận tốc xe chạy xăng A95 58 Hình III.13 Đồ thị biến thiên lực kéo xe Suzuki Carry ở các mức tải động cơ theo vận tốc xe chạy xăng pha n-butanol 58 Hình III.14 Đồ thị biến thiên tốc độ của xe Mercedes Benz 61 Hình III.15 Đồ thị biến thiên tốc độ của xe Suzuki Carry 61

Hình III.17 Đồ thị biến thiên vận tốc của xe Suzuki Carry theo chu trình ECE 15/04 64 Hình III.18 Đồ thị các đường cong biểu diễn khả năng leo dốc của xe Mercedes Benz khi chạy bằng xăng thông dụng A95 66 Hình III.19 Đồ thị các đường cong biểu diễn khả năng leo dốc của xe Mercedes Benz khi chạy bằng xăng pha n-butanol 66 Hình III.20 Đồ thị các đường cong biểu diễn khả năng leo dốc của xe Suzuki Carry khi chạy bằng xăng A95 66 Hình III.21 Đồ thị các đường cong biểu diễn khả năng leo dốc của xe Suzuki Carry khi chạy bằng xăng pha n-butanol 67 Hình III.22 Đồ thị tiêu hao nhiên liệu theo chu trình ECE 15/04 của xe Mercedes Benz khi chạy xăng A95 72 Hình III.23 Đồ thị tiêu hao nhiên liệu theo chu trình ECE 15/04 của xe Mercedes Benz khi chạy xăng pha n-butanol 72 Hình III.24 Đồ thị đo tiêu hao nhiên liệu theo chu trình ECE 15/04 của xe Suzuki Carry khi chạy xăng A95 72 Hình III.25 Đồ thị đo tiêu hao nhiên liệu theo chu trình ECE 15/04 của xe Suzuki Carry khi chạy xăng pha n-butanol 73

Bảng I.2 Công nghệ sản xuất và tác động đến môi trường của các hợp chất chứa oxy

khi sử dụng làm nhiên liệu 5

Bảng I.3 So sánh tính chất khi pha trộn của các phụ gia chứa oxy: ete và rượu 6

Bảng I.4 Tính chất vật lý của các đồng phân butanol 8

Bảng I.5 Một số đặc tính và công nghệ sản xuất các đồng phân butanol 10

Bảng I.6 So sánh đặc tính của n-butanol so với một số nhiên liệu khác 11

Bảng I.8 Sản lượng phụ phế phẩm ước tính qua các năm 26

Bảng II.2 Một số chỉ tiêu lý hóa của n-butanol nhập khẩu 30

Bảng II.3 Kết quả pha trộn xăng pha n-butanol sơ bộ 32

Bảng II.4 Đặc tính kỹ thuật của xăng pha n-butanol 33

Bảng II.5 Kết quả phân tích các chỉ tiêu xăng pha n-butanol tồn trữ trong phòng thí nghiệm trong 3 tháng 37

Bảng II.6 Kết quả ngoại quan hiện tượng trương nở, thay đổi màu sắc của các chi tiết phi kim loại và sự tách lớp của xăng pha n-butanol tồn trữ trong thời gian 3 tháng 39

Bảng III.1 Áp suất nén cực đại trong xy-lanh động cơ ở trạng thái nóng 50

Bảng III.2 Áp suất nén cực đại của 4 xy-lanh động cơ ở trạng thái nguội 51

Bảng III.3 Độ tăng/giảm độ lọt khí cac-ter của từng xe ô tô thử nghiệm 53

Bảng III.4 Biến thiên lực kéo và công suất ở các mức chân ga động cơ đối với xe Mercedes Benz MB 140 55

Bảng III.5 Biến thiên lực kéo và công suất ở các mức chân ga động cơ đối với xe Suzuki Carry 57

Bảng III.6 Công suất kéo trung bình của xe Mercedes Benz ở các mức tải 59

Bảng III.7 Công suất kéo trung bình của xe Suzuki ở các mức tải 59

Bảng III.8 Gia tốc tự do trên đường phẳng của xe Mercedes Benz 60

Bảng III.9 Gia tốc tự do trên đường phẳng của xe Suzuki Carry 61

Bảng III.10 Thời gian tăng tốc đạt tốc độ 60km/h của 2 xe thử nghiệm 62

Bảng III.11 Khả năng tăng tốc theo chu trình của xe Mercedes Benz 62

Bảng III.12 Khả năng tăng tốc theo chu trình của xe Suzuki Carry 63

Bảng III.13 Thời gian gia tốc của xe Mercedes Benz MB140, giây 65

Bảng III.14 Thời gian gia tốc của xe Suzuki, giây 65

Bảng III.15 Thành phần khí xả ô nhiễm của xe Mercedes Benz khi xe chạy theo chu trình ECE 15/04 68

Bảng III.16 Thành phần khí xả ô nhiễm của xe Suzuki Carry khi xe chạy theo chu trình ECE 15/04 69

Bảng III.18 Mức phát thải các khí ô nhiễm trung bình của xe Mercedes Benz khi chạy

theo chế độ duy trì tốc độ 69

Bảng III.19 Mức phát thải ô nhiễm trung bình của xe Suzuki Carry- khi chạy theo chu trình ECE 15/04 70

Bảng III.20 Mức phát thải ô nhiễm trung bình của xe Suzuki Carry – khi chạy theo chế độ duy trì tốc độ 70

Bảng III.21 Tiêu hao nhiên liệu trung bình khi chạy theo chu trình ECE 15/04 73

Bảng III.22 Tiêu hao nhiên liệu kiểm tra (lít/100km) khi duy trì tốc độ trên từng tay số 73

Bảng III.23 Tiêu hao nhiên liệu trung bình khi chạy theo chu trình ECE 15/04 74

Bảng III.24 Tiêu hao nhiên liệu kiểm tra khi duy trì tốc độ trên từng tay số 74

Bảng IV.1 Tương quan giữa tỷ số nén và trị số octan 76

Bảng IV.2 Nhiệt trị thể tích của nhiên liệu 77

Bảng IV.3 Thành phần cất của xăng gốc và xăng pha n-butanol 78

Bảng IV.4 Tính tương thích của n-butanol nguyên chất với một số vật liệu 80

Bảng IV.5 So sánh chi phí sản xuất butanol và etanol sinh học từ tinh bột 84

Bảng IV.6 Tính giá sơ bộ của 1 lít xăng pha n-butanol thực nghiệm 85

%kl: % khối lượng

ASTM (American Society for

Testing and Materials):

Hiệp hội đo kiểm chất lượng Mỹ

EEI (Environmental Energy Inc.): Công ty Năng lượng Môi trường

MON (motor octane number): Trị số octan động cơ

PM (particular matter): Các chất thải dạng hạt

RON (research octane number): Trị số octan nghiên cứu

VOC (volatile organic chemical): Hợp chất hữu cơ dễ bay hơi

MỞ ĐẦU

Xu hướng sử dụng các loại nhiên liệu thay thế đã và đang trở thành vấn đề cấp bách đối với các quốc gia trong ngắn hạn và dài hạn nhằm đối phó với tình trạng khan hiếm nguồn nhiên liệu hóa thạch và các tác hại gây ô nhiễm môi trường Các nhà khoa học trên thế giới cho biết trữ lượng dầu mỏ đang được khai thác ở mức cao nhất và dần chuyển sang giai đoạn cạn kiệt Một số thống kê khác còn đưa

ra nhận định rằng: tốc độ phát triển dân số và nhu cầu về nhiên liệu cao như hiện

nay thì chỉ trong vòng vài thập kỷ nữa thế giới sẽ hết dầu mỏ (Hirsch et al., 2006; Alley et al., 2007) Đến thời điểm đó, nhân loại vẫn chưa tìm ra được những nguồn

nhiên liệu thay thế hợp lý thì nguy cơ về một cuộc khủng hoảng năng lượng tiếp theo xảy ra là điều tất yếu Bên cạnh đó, việc sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ, than đá, khí đốt… được coi là nguyên nhân chính gây ra sự tăng nồng

độ khí CO2 trong khí quyển, gây nên hiện tượng hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu toàn cầu

Trước tình hình đó, Nhà nước và một số Tập đoàn năng lượng lớn trong nước đã có những chủ trương và chính sách ứng phó kịp thời Chính Phủ đã phê

duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học (NLSH) đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” theo quyết định số 177/2007/QĐ-TTg ngày 20/11/2007 Tập đoàn Dầu khí Việt Nam đã ban hành “Kế hoạch và chương trình triển khai các dự án NLSH của Tập đoàn Dầu khí Việt Nam đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” theo quyết

định số 1156/QĐ-DKVN ngày 24/02/2009… Theo chủ trương của nhà nước, một

số dự án NLSH đã và đang được đầu tư như: khởi công xây dựng 03 nhà máy sản xuất etanol nhiên liệu ở Phú Thọ, Quãng Ngãi và Bình Phước của Tập đoàn Dầu khí Quốc Gia Việt Nam; nhà máy cồn nhiên liệu Đại Tân của Công ty CP Đồng Xanh ở Quảng Ngãi; nhà máy cồn nhiên liệu Tùng Lâm ở Đồng Nai; nhà máy cồn nhiên liệu Đại Việt ở Đắc Lắc Trong thời gian gần đây, n-butanol sinh học là một loại NLSH được sự quan tâm nhiều của các nước trên thế giới Cũng giống với etanol sinh học, n-butanol sinh học có thể được sản xuất từ những nguồn nguyên liệu là các cây lương thực (ngô, sắn, mía, củ cải đường…) hoặc các phụ phẩm trong nông

lâm nghiệp (rơm rạ, vỏ trấu, bã sắn, lõi ngô…) nhờ quá trình lên men hoặc một số quá trình chuyển hóa khác N-butanol sinh học có thể sử dụng trực tiếp hoặc pha trộn với xăng thông dụng làm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông vận tải hiện nay

Qua đánh giá, người ta thấy n-butanol sinh học có nhiều ưu điểm hơn so với etanol sinh học:

- Nhiệt trị cao hơn etanol;

- Áp suất hơi bão hòa thấp hơn etanol nên độ an toàn trong tồn trữ cao hơn, dễ dàng cho việc phối trộn với xăng thông dụng và giảm hàm lượng các cấu tử nhẹ dễ bay hơi thất thoát ra môi trường;

- N-butanol có thể pha trộn với xăng theo khoảng tỷ lệ rộng, và có thể dùng trực tiếp (100% n-butanol) mà không cần phải hoán cải động cơ Trong khi đó etanol chỉ có thể pha trộn tối đa tới E85 và cần có những hoán cải động cơ phù hợp;

- N-butanol ít tan trong nước nên có thể dễ dàng vận chuyển bằng đường ống sẵn có, khả năng gây ăn mòn thiết bị là rất ít (trong khi đây là nhược điểm lớn của etanol);

- Phương pháp sản xuất n-butanol tương tự như sản xuất etanol sinh học,

do đó công nghệ và nguồn nguyên liệu sản xuất butanol sinh học cũng tương tự như etanol

Tại Việt Nam, n-butanol chủ yếu được sử dụng làm hóa chất, dung môi trong ngành công nghiệp sơn, nhựa, in… hiện chưa có công trình nghiên cứu và ứng dụng loại ancohol này làm nhiên liệu cho phương tiện giao thông vận tải Thông tin gần đây, Công ty Cổ Phần mía đường Lam Sơn (Lasuco) đã ký thỏa thuận hợp tác với Công ty TNHH một thành viên - Tổng Công ty Dầu Việt Nam (PV OIL), Công

ty cổ phần Zarubezhnef thuộc tập đoàn Dầu Khí của Nga và Tổng Công ty Công nghệ Sinh học của Nga (KBT) thành lập Công ty CP Công nghệ Sinh học Việt Nam

để thực hiện dự án xây dựng nhà máy sản xuất butanol sinh học có công suất 100.000 tấn/năm tại tỉnh Thanh Hóa Nhà máy sử dụng nguyên liệu có chứa cenlulose từ nguồn phụ phẩm nông lâm nghiệp tại Việt Nam Như vậy có thể thấy

rằng song song với các dự án sản xuất etanol sinh học thì dự án đầu tư sản xuất butanol sinh học để pha chế nhiên liệu cũng được quan tâm ở Việt Nam Sau giai đoạn thử nghiệm, việc ứng dụng loại nhiên liệu sinh học này được đánh giá cao trên các phương tiện xe cộ thì butanol nhiên liệu sẽ có khả năng thay thế một phần xăng thông dụng và góp phần đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia

Để đánh giá khả năng ứng dụng n-butanol sinh học cho ngành giao thông vận tải đòi hỏi một quá trình nghiên cứu bài bản và lâu dài từ các khâu pha chế, tồn trữ, vận chuyển, chạy thử nghiệm ô tô hiện trường ngoài đường sá, cho đến thử nghiệm đánh giá độ bền động cơ sử dụng loại nhiên liệu này Vì đây là loại nhiên liệu sinh học mới ở Việt Nam Trong phạm vi của nghiên cứu này, đề tài sẽ thực hiện một số trong các nội dung nghiên cứu nêu trên (trong phòng thí nghiệm) là: pha chế, tồn trữ mẫu để đánh giá độ ổn định chất lượng và ảnh hưởng đến vật liệu tiếp xúc và chạy thử nghiệm ô tô trên băng thử so với xăng thông dụng Các tiêu chí đánh giá nhiên liệu xăng pha n-butanol so với xăng thông dụng bao gồm: về kỹ thuật (quy cách phẩm chất nhiên liệu, độ ổn định chất lượng khi tồn trữ, tác động gây ăn mòn/trương nở vật liệu, các thông số vận hành của ô tô và tính năng làm việc của nhiên liệu), về kinh tế (sơ bộ giá pha chế nhiên liệu thử nghiệm, đề xuất mức giá n-butanol sinh học phù hợp) và môi trường (thành phần định lượng các khí phát thải gây ô nhiễm theo tiêu chuẩn TCVN 6438 : 2005)

Việc nghiên cứu khả năng sử dụng n-butanol sinh học ở Việt Nam là một hướng đi thiết thực trong bối cảnh thiếu hụt năng lượng như hiện nay và phù hợp với chiến lược phát triển nhiên liệu sinh học của Bộ Công thương, Chính phủ ở góc

độ nghiên cứu sử dụng nhiên liệu mới Kết quả nghiên cứu là cơ sở định hướng cho các cấp ngành liên quan trong việc đánh giá khả năng đầu tư xây dựng cơ sở hạ tầng cho sản xuất và sử dụng butanol sinh học pha chế nhiên liệu tại Việt Nam

Mục tiêu nghiên cứu quan trọng của đề tài:

- Đánh giá sự phù hợp về mặt kỹ thuật, môi trường và tính kinh tế của xăng pha n-butanol sinh học đối với điều kiện Việt Nam;

- Đề xuất tỷ lệ pha trộn thích hợp của butanol sinh học vào xăng thông dụng

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ

SỬ DỤNG BUTANOL LÀM NHIÊN LIỆU

I.1 Tổng quan về một số hợp chất chứa oxy (MTBE, ETBE, TAME, DIPE

và Butanol) và đánh giá sự phù hợp của n-butanol ứng dụng làm nhiện liệu

I.1.1 So sánh đặc tính lý hóa và đánh giá xu hướng sử dụng các hợp chất chứa

oxy trong nhiên liệu

Đặc tính lý hóa của một số hợp chất chứa oxy được sử dụng phổ biến với mục đích sử dụng làm phụ gia pha chế nhiên liệu được trình bày trong bảng bên dưới

Bảng I.1 Tính chất hóa lý của một số phụ gia xăng chứa oxy và n-butanol

CH 3 OC(CH 3 )2 -CH2CH3

CH 3 CH 2 CHCH2CH3

5 Tỷ trọng ở 15/40C 0,8098 0,7456 0,7456 0,7750 0,75

6 Áp suất hơi ở

15,9 (20oC)

3,1 (25oC) 1,2 (20

5,0 (25oC) 0,5 (20

oC) 0,6 (20oC) Rất ít

11 Độ nhớt ở, cst 3,0

(20oC)

0,31 (20oC)

 Nhiệt độ sôi, độ nhớt của n-butanol khá cao nhưng áp suất hơi bão hòa của n-butanol lại thấp hơn các hợp chất còn lại Đây là điểm thuận lợi của n-butanol, có ý nghĩa an toàn khi pha chế nhiên liệu và giảm thất thoát trong tồn trữ

Đánh giá về phương pháp sản xuất thì trong các hợp chất kể trên thì chỉ có butanol là được sản xuất bằng phương pháp sinh học (lên men) từ nguyên liệu tinh bột, mật rỉ… và nguồn nguyên liệu thế hệ 2 (biomass) đầy tiềm năng đối với nền kinh tế nông nghiệp như Việt Nam

Bảng I.2 Công nghệ sản xuất và tác động đến môi trường của các hợp chất chứa oxy khi sử dụng làm nhiên liệu

Gây ô nhiễm nguồn nước, sức khỏe con người;

Phân hủy sinh học chậm;

Đã bị cấm sử dụng ở nhiều nước

Ít độc hại

Tính độc cao hơn MTBE

Ít độ hại

Methanol, Isobutylen

Ethanol, Isobutylen

Methanol, Tertiaryl-amylen

Không thực hiện được

 Pha trộn các alcohol hay ete (Bảng I.2) trực tiếp vào xăng đều làm giảm lượng xăng tiêu thụ do sự đóng góp về thể tích và trị số octan Giá trị octan cao của hợp chất chứa oxy làm thay đổi thành phần của xăng, chủ yếu là giảm thành phần aromatic, từ đó làm giảm hàm lượng carbon trong xăng

 Áp suất hơi và độ tan trong nước của ETBE thấp hơn MTBE ETBE có mùi và vị nhẹ cùng mức với MTBE và TAME Chưa có báo cáo khoa học nào khẳng định về tác động xấu của ETBE đến môi trường hay sức khỏe con người Chính phủ Nhật Bản đã và đang có những khảo sát đánh giá đầy đủ về nguy cơ độc hại của ETBE trong thời gian dài Cộng đồng Châu Âu khuyến cáo để giảm tác hại của MTBE đến nguồn nước ngầm thì thay thế bằng việc sử dụng ETBE

Xu hướng sử dụng các hợp chất chứa oxy trong nhiên liệu:Bảng I.3 So sánh

tính chất khi pha trộn của các phụ gia chứa oxy: ete và rượu

Hợp chất Tỷ trọng Nhiệt độ

sôi ( o C)

Trị số octan trung bình (RON+MON)/2

Hàm lượng oxy (% kl)

Khả năng chịu nước

(Nguồn: Properties of MTBE and Other Oxygenates, 2007)

Bảng trên so sánh tính chất khi pha trộn một số phụ gia chứa oxy vào xăng nhiên liệu, đa số các ete có điểm sôi thấp hơn so với rượu do đó cần lượng nhiệt để

bay hơi thấp hơn Các hợp chất có nhiệt bay hơi lớn sẽ khó bay hơi khi động cơ vận hành ở nhiệt độ thấp Sự bay hơi không hoàn toàn dẫn đến sự pha trộn không tốt giữa không khí và nhiên liệu, quá trình cháy trong buồng đốt không hoàn toàn và nồng độ hydrocarbon thải ra lớn hơn

Việc sử dụng một số rượu (như etanol…) làm phụ gia hay pha chế nhiên liệu thường phải xử lý vấn đề phân chia pha khi có một lượng nước nhất định trong hỗn hợp pha trộn, hiện tượng ăn mòn vật chứa và trong động cơ Những so sánh sơ bộ này cho thấy rằng ete có nhiều ưu thế hơn rượu trong việc đáp ứng các chỉ tiêu kỹ thuật trong pha trộn nhiên liệu như: trị số octan cao; nhiệt bay hơi, áp suất hơi RVP

và nhiệt độ cháy thấp

 Điển hình như ete ETBE có trị số octan gần bằng etanol nhưng không có tính ăn mòn và dễ bay hơi như etanol Do đó, ETBE có thể được phối trộn với xăng ngay tại phân xưởng pha chế của NMLD Ngoài ra, áp suất hơi thấp của ETBE đem lại lợi thế về khả năng đáp ứng chỉ tiêu bay hơi theo từng mùa của tiêu chuẩn nhiên liệu

 Bên cạnh khả năng làm tăng trị số octan, ete ETBE còn có các ưu điểm khác để trở thành một NLSH đa năng và là một thành phần pha trộn phổ biến, những ưu điểm này bao gồm: áp suất hơi thấp không nguy hiểm khi trộn lẫn hay hình thành điểm đẳng phí, chịu được nước tốt và giảm mạnh lượng khí CO2 thải ra môi trường

Độ nhạy octan là sự khác biệt giữa RON (trị số octan nghiên cứu) và MON (trị số octan động cơ) Hình bên dưới minh họa mối liên hệ giữa độ nhạy octan của các thành phần thường được pha vào xăng để tăng trị số octan Theo xu hướng các hợp chất chứa oxy được sử dụng phổ biến để thay thế aromatic trong việc tăng trị số octan trong xăng Tùy theo từng loại hợp chất chứa oxy mà có ảnh hưởng lên độ nhạy octan của xăng khác nhau

 Độ nhạy octan của ETBE tương tự như aromatic (ở đây là toluen) do đó thay thế aromatic bằng ETBE trong pha trộn xăng sẽ ít ảnh hưởng đến độ nhạy octan của xăng Etanol có độ nhạy octan rộng và cho MON khi pha

trộn thấp hơn

(Nguồn: Ethyl Tertiary Butyl Ether – A Review of the Technical Literature, 2009)

Hình I.1 Độ nhạy octan của các hợp chất sử dụng pha trộn

để tăng trị số octan cho xăng I.1.2 Đánh giá sự phù hợp của n-butanol khi ứng dụng làm nhiên liệu

Thứ nhất, khi so sánh với 04 đồng phân của butanol thì trừ tert-butanol bị đóng rắn ở nhiệt độ thường nên không thể ứng dụng làm nhiên liệu, 03 đồng phân còn lại của butanol có thể ứng dụng làm nhiên liệu

Bảng I.4 Tính chất vật lý của các đồng phân butanol

(30-80oC)

2,5263 (30-80oC)

2,81 (20oC) 3,035

(Nguồn: tài liệu [10] )

+ Tert-butanol: Có nhiệt độ nóng chảy cao (25,6oC) nên ở nhiệt độ bình thường có xu hướng dễ chuyển sang pha rắn Tert-butanol cũng tan vô hạn trong nước giống như etanol

+ Sec-butanol: Có độ nhớt khá cao (4,2 cSt ở 15oC), điều này làm giảm tính linh động của nhiên liệu cũng như ảnh hưởng xấu đến một số tính năng hoạt động khác của động cơ Một nhược điểm quan trọng nữa là sec-butanol rất khó sản xuất từ quá trình lên

men sinh học (trong công nghiệp, sec-butanol được sản xuất từ quá trình hydrat hóa 2 sản phẩm từ hóa dầu là 1-buten hoặc 2- buten)

+ Iso-butanol: Có ưu điểm là trị số octan khá cao (RON =103), tuy nhiên, iso-butanol cũng có độ nhớt lớn hơn nhiều so với n-butanol Trong công nghiệp, iso-butanol cũng được sản xuất chủ yếu từ nguồn nguyên liệu hóa dầu (propylen) và quá trình lên men sinh học (biomass)

 Trừ tert-butanol bị hóa rắn, các đồng phân khác đều là chất lỏng không màu, có mùi đặc trưng (hơi của các đồng phân này có thể gây kích thích lên màng niêm mạc và có tác dụng gây mê lên các khu trung ương thần kinh)

 Trong số 03 đồng phân (dạng lỏng) của butanol thì n-butanol có nhiều ưu điểm, đặc tính tương đồng nhiều hơn và có khả năng ứng dụng làm nhiên liệu cho động cơ xăng

Như vậy trong 04 đồng phân của butanol thì n-butanol có nhiều đặc tính nổi trội khi ứng dụng làm nhiên liệu và tiềm năng sản xuất (nguyên liệu và công nghệ) theo hướng “xanh sạch” hơn hẳn các đồng phân còn lại và rất giống với etanol nhiên liệu

Bảng I.5 Một số đặc tính và công nghệ sản xuất các đồng phân butanol

Tính chất n-butanol iso-butanol sec-butanol ter-butanol

Hiệu suất thấp, chủ yếu đi từ hóa dầu

Khó thực hiện;

Qua nhiều giai đoạn phức tạp

Không thực hiện được

NHẬN XÉT

Có thể sử dụng làm nhiên liệu

Không thể sử dụng làm nhiên liệu vì

bị đóng rắn ở nhiệt

độ thường Tính chất tương

đồng với xăng nhiên liệu

Độ nhớt, độ tan trong nước cao

Độ nhớt,

độ tan trong nước cao

Tan hoàn toàn trong nước

Thứ hai, khi so sánh với các nhiên liệu thông dụng khác thì n-butanol có nhiều đặc tính phù hợp để sử dụng cho mục đích nhiên liệu

Bảng I.6 So sánh đặc tính của n-butanol so với một số nhiên liệu khác

32,2-32,9 12,7)

Khí CO2, g/l (g/MJ) 1933

(71,7)

1511 (70,81)

1591,4 (72,01)

2334,8-2513,2 (72,5-76,4)

Độ tan trong nước (20oC) 7,7 Tan vô hạn - -

Độ hấp thụ nước (20oC) 20,1 Tan vô hạn ~ 1 0,012-0,02

(Nguồn: tài liệu [11])

I.2 Tình hình nghiên cứu sản xuất và sử dụng n-butanol làm nhiên liệu động

cơ của các nước trên thế giới và khu vực

Nhiều nước trên thế giới đang có xu hướng tìm kiếm và sử dụng các loại nhiên liệu sạch, có khả năng tái tạo để thay thế dần nguồn nguyên liệu hóa thạch đang trên đà cạn kiệt và góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường Hơn 50 quốc gia trên thế giới đã xây dựng chương trình nghiên cứu và ứng dụng NLSH vào thực tế Theo dự báo của các chuyên gia, đến năm 2025, thế giới sẽ sử dụng 12% NLSH trong tổng nhu cầu năng lượng Riêng khối EU đến năm 2020, Liên minh này sẽ nâng mức tiêu thụ NLSH lên đến 20% trong tổng nhu cầu năng lượng quốc gia

Ngày nay, butanol được ứng dụng làm nhiên liệu trong lĩnh vực giao thông

vận tải và quân sự Ngoài ra, butanol còn được sử dụng như một nhiên liệu cho các trạm năng lượng tế bào nhiên liệu, cung cấp điện tại địa phương như tại Westerville, Ohio [14] Butanol được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất, dung môi và

in ấn Về lĩnh vực giao thông vận tải, butanol có thể pha trộn tới 20 %tt vào xăng thông dụng làm nhiên liệu cho các phương tiện xe cộ Trong một số ứng dụng tiêu biểu butanol sinh học có thể được sử dụng trực tiếp 100 %tt cho động cơ ô tô Điều này đã được chứng minh bởi David Ramey, một nhà khoa học môi trường Mỹ (chủ tịch Công ty Năng lượng Môi trường EEI) Vào năm 2005, Ramey đã sử dụng nhiên liệu 100 %tt butanol tự tinh chế trên chiếc xe của mình đi lại từ Ohio đến California Lúc đầu, công suất của pilot điều chế butanol sinh học của EEI chỉ đạt 190 - 380 lít/tuần Sau nó, EEI đã mở rộng quy mô đầu tư một nhà máy sản xuất butanol sinh học với công suất 7,6 triệu lít/năm [19]

- Theo Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Hoa Kỳ (NREL) thì butanol sinh học trước đây được sản xuất bằng công nghệ lên men ABE Trong thế chiến thứ I, ngành công nghiệp sản xuất butanol sinh học bằng công nghệ ABE được tập trung phát triển Giai đoạn này, butanol được quan tâm nhiều hơn so với aceton và etanol Vì butanol được sử dụng làm dung môi pha sơn phục vụ cho ngành công nghiệp ô tô Sau thế chiến I, công nghệ sản xuất butanol tiếp tục được nghiên cứu tại Mỹ Giai đoạn

1950 - 1960, các công trình nghiên cứu sản xuất butanol sinh học tại EU

và Mỹ gần như bị ngừng lại do không thể cạnh tranh về chi phí và hiệu quả kinh tế so với nguồn butanol được sản xuất từ hóa dầu Tại Châu Á, butanol sinh học được nghiên cứu đầu tiên tại Trung Quốc từ những năm

1950 và việc nghiên cứu đạt đỉnh cao vào những năm 1980, nhưng sau

đó cũng bị ngừng trệ bởi sự phát triển bùng nổ của ngành công nghiệp dầu mỏ [3]

- Tại Nga, Công ty Cổ phần “Corporation Biotechnologies JSC” đã đầu tư nghiên cứu và phát triển công nghệ sản xuất butanol sinh học từ các nguồn nguyên liệu phế phẩm nông lâm nghiệp Công nghệ sản xuất butanol sinh học được cải tiến dựa trên nền tảng công nghệ thủy phân từ

thời Xô Viết Công nghệ này có các ưu điểm như: sử dụng ít năng lượng, không thải ra chất rắn và lỏng do được tuần hoàn trong quy trình sản xuất Tháng 9/2008, butanol sinh học đi từ nguồn nguyên liệu gỗ (nguyên liệu thế hệ thứ 2) lần đầu tiên được sản xuất thành công bằng pilot thực nghiệm của công ty liên doanh East-Siberian Combine Biotechnologies (VSKBT) tại Tulun, Nga [4] Thành công này mở ra hướng tận dụng nguồn phụ phẩm trong sản xuất nông lâm nghiệp để sản xuất butanol sinh học và góp phần làm giảm giá thành sản phẩm

- Tại Mỹ, công ty Butyl Fuel [3] (trước đây là Environmental Energy Inc.)

đã đầu tư xây dựng một nhà máy sản xuất butanol sinh học bằng công nghệ lên men với nguyên liệu là ngô và có thể linh động sử dụng các nguồn nguyên liệu sinh khối khác Thời gian đầu, sản phẩm butanol của Butyl Fuel cung cấp cho thị trường dung môi Sau đó, công ty sẽ mở rộng sang thị trường nhiên liệu thay thế cho xăng thông dụng

Hình I.2 Xe chạy bằng nhiên liệu 100 %tt n-butanol

- BP (Anh) và Dupont (Mỹ) đã góp vốn đầu tư 400 triệu USD xây dựng một nhà máy sản xuất NLSH từ nguyên liệu lúa mì Nhà máy đã hoàn thành vào cuối năm 2009, gồm một pilot nhỏ sản xuất butanol (công suất ban đầu là 20 ngàn lít/năm) và một phân xưởng sản xuất etanol (công suất 420 triệu lít/năm) dự kiến phân xưởng này sau đó sẽ nâng cấp

chuyển đổi sang sản xuất butanol

Ngoài ra, các công ty dưới đây là những đơn vị hàng đầu đã và đang phát triển mạnh công nghệ vi sinh học tiên tiến để sản xuất n-butanol sinh học với mục đích làm nhiên liệu như:

1) Arbor Fuel, Inc

Công ty sản xuất nhiên liệu thay thế, đặc biệt là n-butanol bằng công nghệ sinh học sử dụng nguyên liệu thế hệ II Arbor ứng dụng các quá trình vi sinh học của thực vật tới các quá trình phân hủy của vi khuẩn và vi sinh để chuyển hóa celulose thành các loại nhiên liệu cơ bản Chiến lược phát triển của công ty là đẩy mạnh sự phát triển công nghệ sinh học kết hợp với các quá trình trao đổi chất để thúc đẩy việc sản xuất nhiên liệu thay thế có hiệu quả Trong đó, trọng tâm chính là

sự phát triển của công nghệ vi khuẩn học và các quá trình khác để sản xuất butanol

từ sinh khối Các phát minh về vi sinh học sử dụng sinh khối như một loại nguyên liệu rẻ tiền và thân thiện với môi trường Đồng thời Arbor cũng là nhà cung cấp chuẩn vi sinh lên men sản xuất n-butanol sinh học thương mại Arbor đã phát triển một loại giống men có thể nuôi cấy và làm phân hủy celulose, có thể sử dụng loại men này để sản xuất etanol với hiệu suất tới 90% Hiện tại, công ty đang trong quá trình nghiên cứu và phát triển những chủng loại vi khuẩn mới để tối đa hiệu suất sản

xuất butanol

2) BUTALCO GmbH

Được thành lập vào tháng 8 năm 2007, có trụ sở chính ở Zug, Thụy Sỹ Công

ty đang phát triển những công nghệ sản xuất mới để sản xuất NLSH và các hóa chất sinh học từ nguyên liệu lignocelulose Công nghệ cốt lõi dựa trên các loại men di truyền đã được tối ưu hóa cho phép nâng cao hiệu suất sản xuất etanol sinh học và butanol BUTALCO cũng đang phát triển công nghệ mới sử dụng đường C5/C6 trong quá trình lên men tạo etanol và butanol cũng như đang hợp tác với các đối tác của họ để phát triển quá trình tích hợp sản xuất cả etanol sinh học và butanol

3) Butamax™ Advanced Biofuels

Thành lập năm 2009 bởi BP & DuPont với mục đích phát triển butanol sinh học, một loại nhiên liệu được công ty hy vọng là sẽ tạo ra những bước tiến trong việc mở rộng nguồn năng lượng cung cấp và thúc đẩy tiến trình chuyển sang dùng nhiên liệu thay thế trong giao thông vận tải Butamax là sự kết hợp của những chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực NLSH của BP, công nghệ tiên tiến và cơ sở hạ tầng đồ sộ của DuPont Những mục tiêu gần đây của công ty là phát triển các chương trình công nghệ sản xuất butanol từ các nguồn nguyên liệu khác nhau, bao gồm cả nguyên liệu chứa đường, nguyên liệu chứa tinh bột và nguyên liệu lignocelulose với giá thành có thể cạnh tranh so với etanol Trong tương lai, Butamax hy vọng sẽ giữ bản quyền công nghệ sản xuất butanol của họ đối với những nhà sản xuất NLSH khác Công ty cũng sẽ hợp tác với những nhà phân phối

và phối trộn nhiên liệu toàn cầu để đưa butanol ra thị trường nhiên liệu Butamax dự kiến hợp tác với Kingston Research Limited để nghiên cứu sản xuất butanol sinh học tại một nhà máy công nghệ ở UK Vào tháng 10 năm 2009, DuPont đã nhận được 9 triệu USD từ ARPA (Advanced Research Projects Agency: tổ chức nghiên cứu dự án) để phát triển sản xuất butanol sinh học từ tảo biển

- BP và DuPont đã đưa Butanol sinh học vào thử nghiệm trên các phương tiện chạy trên đường với độ dài 1.300.000 dặm, các thử nghiệm này đã chứng minh rằng butanol sinh học pha trộn với khối lượng lớn 16% thể tích vào các loại nhiên liệu không ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ Một số thử

nghiệm nhiên liệu thương mại đã xác nhận sự phù hợp của butanol nhiên liệu với cơ sở hạ tầng hiện có và sự hài lòng của người tiêu dùng với sản phẩm [5]

- Năm 2006, DuPont và BP tuyên bố hợp tác với công ty đường Anh (British Sugar) để giới thiệu butanol được chế tạo từ củ cải đường làm thành chất pha trộn vào dầu hỏa ở Anh Đến năm 2007 liên doanh này kết hợp với công ty đường Anh đã giới thiệu sản phẩm butanol tại thị trường Anh, giới thiệu sản phẩm butanol sinh học để chuyển đổi cơ sở sản xuất etanol đầu tiên ở Anh thành cơ sở sản xuất butanol sinh học BP và Dupont đã trở thành liên doanh hàng đầu về lĩnh vực nghiên cứu để đưa vào sử dụng butanol làm nhiên liệu thay thế với kế hoạch sản xuất 30.000 tấn butanol/năm

- Ngày 19 tháng 4 năm 2007 tại Detroit, Michigan, Hoa Kỳ, BP và DuPont công bố kết quả thử nghiệm butanol sinh học của mình, dựa trên các thử nghiệm diễn ra trong phòng thí nghiệm, trên động động cơ BP và DuPont đã chứng minh butanol sinh học có các thông số kỹ thuật tương thích so với xăng không chì Theo Frank Gerry-quản lý chương trình NLSH của BP thì butanol sinh học có thể được sử dụng trong các loại xe hiện có và cơ sở hạ tầng hiện có, nhiên liệu này mang lại nhiều lợi ích cho người sử dụng và đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật của động cơ Theo Gerry, butanol sinh học đáp ứng được đặc điểm chính của một nhiên liệu tốt bao gồm mật độ năng lượng cao, biến động kiểm soát tốt, chỉ số octane cao và nồng độ tạp chất thấp, nhiên liệu pha trộn butanol sinh học ở mức 10% khối lượng thực hiện tương

tự như đối với nhiên liệu xăng không pha chì Ngoài ra, mặt độ năng lượng của butanol sinh học khá gần với xăng không chì [7]:

Nhiệt trị, MJ/lít 32,2 ÷ 32,9 26,9 ÷ 27 21,1 ÷ 21,7

4) Gevo Inc

Gevo tập trung phát triển lĩnh vực công nghệ sinh học để sản xuất butanol sinh học pha chế xăng nhiên liệu Sản phẩm chính của công ty bao gồm 3 mảng

công nghệ cơ bản để sản xuất NLSH mang lại hiệu quả kinh tế cao như:

1 Xúc tác sinh học Protein: mục đích để chuyển hóa các phế phụ phẩm nông nghiệp thành các loại nhiên liệu, ancol khác nhau, ví dụ butanol;

2 Công nghệ trao đổi chất bằng các vi sinh vật quan trọng: để tạo ra các vi sinh vật thích hợp cho việc sản xuất nhiên liệu và các hóa chất có hiệu quả và hiệu suất cao áp dụng trên quy mô lớn;

3 Các quá trình công nghệ chuyên biệt nhằm nâng cao năng suất và hiệu quả

từ việc phân tách các sản phẩm có giá trị thấp

Gevo đã hợp tác với Cargill để đưa ra bản quyền về công nghệ lên men sử dụng chủng loại vi nấm men của Cargill có tên là GIFT® Công nghệ này sử dụng sản xuất các loại butanol sinh học từ nguyên liệu chứa đường đi từ phụ phế phẩm nông nghiệp Gevo cũng tham gia một thỏa thuận hợp tác chiến lược với ICM trong việc phát triển thương mại công nghệ GIFT® để sản xuất iso-butanol và các hydrocarbon từ các nhà máy sản xuất etanol Gevo đã cải tạo, xây dựng một nhà máy sản xuất butanol sinh học từ một nhà máy sản xuất etanol hiện hữu Công ty này cho biết đã sản xuất thành công butanol sinh học ở một pilot của nhà máy này với công suất 3,78 triệu lít/năm đặt tại St Joseph, Missouri

5) Green Biologics Limited (GBL)

Là một công ty công nghệ sinh học công nghiệp thuộc Oxfordshire, Anh Quốc Sau nhiều năm hoạt động, GBL đang vươn lên trở thành nhà cung cấp hàng đầu trên thế giới về công nghệ lên men hiện đại nhằm chuyển hóa sinh khối thành các loại nhiên liệu thay thế và một số hóa chất quan trọng Một trong những mục tiêu của GBL là n-butanol sinh học được sản xuất bằng quá trình lên men dùng chủng vi khuẩn với nguyên liệu đường từ sinh khối GBL đã cô lập được một loại vi khuẩn chịu nhiệt có khả năng thúc đẩy nhanh quá trình thủy phân các enzim và giải phóng các loại đường có khả năng lên men được từ nguyên liệu sinh khối Các loại enzim bền nhiệt góp phần làm cho quá trình lên men trở nên nhanh hơn, sạch hơn

và hiệu quả hơn khi thủy phân nguyên liệu từ biomass GBL dự định sẽ tích hợp công nghệ nhiệt phân hiện tại với công nghệ lên men của họ để giảm chi phí nguyên

liệu và chi phí sản xuất GBL đã phát triển những giống vi khuẩn có khả năng sản xuất butanol hiệu suất cao sử dụng công nghệ gen và sẽ tích hợp những chủng vi khuẩn này vào quá trình lên men

Tóm lại, thị trường butanol hiện nay phần lớn là phục vụ cho ngành công nghiệp hóa chất và dung môi sơn Thị trường thế giới có nhu cầu butanol ước tính khoảng 1,32 tỷ lít/năm, trong đó nhu cầu của thị trường Mỹ khoảng 831,6 triệu lít/năm Nhu cầu thị trường thế giới dự kiến tăng đáng kể nếu “butanol xanh” được sản xuất đem lại hiệu quả kinh tế Các nước như Ấn Độ, Trung Quốc, Nhật Bản đang có nhu cầu cao về butanol cho sự phát triển công nghiệp Giá thị trường cho một gallon butanol dao động từ 3 tới 4 đô la [16]

Vấn đề sử dụng butanol làm nhiên liệu thay thế, hiện nay trên thế giới, các nhà sản xuất ô tô chưa tập trung theo hướng này tức là chưa sản xuất ra ô tô chạy hoàn toàn bằng butanol BP và Dupont đã liên doanh với nhau trong việc sản xuất

và khuyến khích sử dụng butanol nhiên liệu, liên doanh này đã đề nghị rằng butanol sinh học có thể pha trộn với xăng tới 10% thể tích ở EU và tới 11,5% thể tích ở Mỹ mà không cần hoán cải động cơ Xăng pha n-butanol tương thích với các phương tiện giao thông hiện hữu cũng như các dòng xe hiện đại

n-Nhiều nhà máy của Anh và Mỹ đang xúc tiến sản xuất n-butanol từ các nguồn nguyên liệu mới và dự định là đến năm 2012 sẽ cho sản phẩm n-butanol sinh học xanh

I.3 Nguồn nguyên liệu sản xuất n-butanol, tiềm năng nguyên liệu ở Việt Nam I.3.1 Nguyên liệu phổ biến cho sản xuất n-butanol trên thế giới

Từ trước những năm 1950, n-butanol chủ yếu được sản xuất bằng quá trình lên men từ tinh bột và mật rỉ Sau năm 1950 đến nay, n-butanol chủ yếu được sản xuất từ nguyên liệu hóa dầu cho hiệu suất sản phẩm cao và có hiệu quả kinh tế cao hơn nhiều so với quy trình lên men truyền thống Và đến ngày nay, n-butanol được sản xuất chủ yếu từ nguồn nguyên liệu hóa dầu làm dung môi cung cấp cho ngành công nghiệp sơn, nhuộm

Do nhu cầu sử dụng n-butanol trong công nghiệp ngày càng tăng, trong khi

đó trữ lượng dầu mỏ thì có hạn và mục đích sử dụng n-butanol sinh học làm nhiên liệu đang được dần quan tâm, vì thế xu hướng khai thác sử dụng các nguồn nguyên liệu tái tạo để sản xuất n-butanol sinh học pha chế nhiên liệu sẽ đến trong tương lai gần Tương tự như etanol, n-butanol cũng có thể được sản xuất từ quá trình lên men các nguồn nguyên liệu sinh khối như mía đường, củ cải đường, ngô, sắn… và các phế phẩm nông lâm nghiệp như vỏ trấu, mùn cưa, rơm rạ, lõi ngô… Trong đó, việc sản xuất n-butanol từ nguồn nguyên liệu phế phẩm nông lâm nghiệp vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển Vì vậy, hiện nay tinh bột vẫn là nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất n-butanol Bên cạnh đó, nhiều nghiên cứu đang được tiến hành để sản xuất n-butanol từ nguyên liệu sinh khối theo hướng nhiệt hóa (khí hóa biomass và sản xuất n-butanol từ khí tổng hợp) và quá trình sản xuất n-butanol từ etanol sử dụng xúc tác Guerbet [8]

I.3.2 Công nghệ sản xuất n-butanol phổ biến trên thế giới

Xét về lịch sử công nghệ sản xuất n-butanol thì quá trình lên men được ứng dụng sản xuất n-butanol sinh học đầu tiên Ngành công nghiệp sản xuất n-butanol bằng quy trình lên men tinh bột được phát triển mạnh ở Mỹ và EU để phục vụ cho mục đích quân sự và phát triển công nghiệp ô tô trong giai đoạn thế chiến thứ I Tuy nhiên, công nghệ lên men sản xuất n-butanol đã bị chững lại từ sau 1950 do sự phát triển vượt trội của ngành công nghiệp dầu mỏ Trữ lượng dầu mỏ dồi dào, giá dầu thấp nên ngành công nghiệp lọc hóa dầu và các sản phẩm từ dầu mỏ phát triển mạnh Cho nên, sản phẩm n-butanol đi từ hóa dầu cũng không nằm ngoài xu hướng tăng trưởng này Tại Châu Á, công nghệ lên men sản xuất n-butanol xuất hiện lần đầu tiên tại Trung Quốc từ những năm 1950 và phát triển mạnh vào những năm

1980, nhưng sau đó cũng bị ngừng trệ nhường thị trường cho n-butanol sản xuất từ hóa dầu [6]

Dưới đây là phần tóm lược trình bày về 02 công nghệ sản xuất n-butanol phổ biến nhất đã được thương mại hóa và ứng dụng rộng rãi trên thế giới

- Công nghệ sản xuất từ nguyên liệu hóa dầu (propylen dầu mỏ);

- Công nghệ sản xuất từ nguyên liệu tinh bột (lên men ABE)

I.3.2.1 Công nghệ sản xuất n-butanol từ propylen dầu mỏ

Nguyên liệu đầu vào của công nghệ này là propylen và khí tổng hợp (hydro

và carbon oxit), các phản ứng chính xảy ra trong quá trình:

Hình I.3 Công nghệ UCC (của Dow) sản xuất n-butanol

Propylen phản ứng với khí tổng hợp để sinh ra butyraldehydes:

H2 + CO + CH3CH=CH2 → CH3CH2CH2CHO

H2 + CO + CH3CH=CH2 → (CH3)2CHCHButyraldehydes tiếp tục phản ứng với hydro và tạo thành butanol:

CH3CH2CH2CHO + H2 → CH3CH2CH2CH2-OH (n-butanol)

(CH3)2CHCHO + H2 → (CH3)2CHCH2-OH (iso-butanol)

 Xúc tác sử dụng là Co hoặc Rh, các phản ứng xảy ra ở điều kiện nhiệt

độ và áp suất vừa phải (< 100oC và < 20 atm), bản quyền công nghệ

LP Oxo Alcohols của Dow Chemical Company;

 Propylene chủ yếu được lấy từ sản phẩm của quá trình crăcking dầu

mỏ trong nhà máy lọc dầu;

 Khí tổng hợp (CO + H2) thường được tổng hợp từ CH4 (lấy từ nguồn khí thiên nhiên hoặc khí đồng hành);

 Một số công nghệ đã được thương mại hóa như: Dow, Basf, Shell, Ruhrchemie-Rhône-Poulenc (OXEA)

Hiện nay, nước ta vẫn chưa có nhà máy sản xuất butanol, toàn bộ lượng butanol sử dụng trong nước được nhập khẩu từ các nước trong khu vực như: Malaysia, Singapore, Trung Quốc… Khả năng xây dựng nhà máy sản xuất n-

n-butanol từ nguyên liệu hóa dầu tại Việt Nam phụ thuộc vào nguồn cung propylen từ các nhà máy lọc dầu đã và sắp đi vào hoạt động như: Dung Quất, Nghi Sơn và Long Sơn Nguồn khí tổng hợp sẽ phụ thuộc vào nguồn khí thiên nhiên hoặc khí đồng hành từ các mỏ khí và kế hoạch khai thác của các công ty khí

I.3.2.2 Công nghệ lên men ABE

Năm 1912, Chaim Weizmann là người đã nuôi cấy thành công chủng vi

khuẩn Clostridium acetobutylicum có khả năng lên men tinh bột tạo ra các sản

phẩm đồng thời gồm Aceton : Butanol : Etanol với tỷ lệ tương ứng là 3:6:1 Với

chủng vi khuẩn này, sản phẩm butanol tạo ra có tỷ lệ 100% là n-butanol [18] Sau

đó năm 1918, nhà máy sản xuất butanol bằng công nghệ ABE được xây dựng ở Terre Haute, bang Indiana, Mỹ sử dụng nguyên liệu là ngô

Công nghệ lên men ABE ban đầu gặp một số khó khăn về hiệu suất chuyển hóa vì cho ra tỷ lệ sản phẩm butanol thấp Trong những năm gần đây, với mục đích sản xuất để pha chế nhiên liệu, butanol được sản xuất theo hướng sinh hóa đã mang lại những thành công ban đầu trên các chủng loại vi khuẩn mới để nâng cao hiệu suất tạo n-butanol Sơ đồ Hình I.5 bên dưới trình bày quy trình lên men ABE sản xuất n-butanol từ ngô Các bước thực hiện bao gồm tiền xử lý, thủy phân và lên men tạo thành các sản phẩm mong muốn

Do sử dụng nguồn nguyên liệu tinh bột sẽ ảnh hưởng đến an ninh lương thực nên hiện nay nhiều nghiên cứu đã hướng đến sử dụng nguồn nguyên liệu lignocelulose (có trong phế phẩm nông lâm nghiệp như mùn cưa, trấu, rơm rạ, bã mía, gỗ…) để sản xuất n-butanol sinh học thế hệ thứ 2

Quy trình công nghệ thích hợp cho nguồn nguyên liệu này bao gồm các bước: tiền xử lý nguyên liệu, thủy phân celulose và lên men để thu n-butanol Hình I.6 mô tả khái quát các công nghệ sản xuất butanol sinh học đã và đang được sản xuất thương mại, và các công nghệ khác đang được nghiên cứu phát triển đối với các nguồn nguyên liệu

Hình I.4 Sơ đồ lên men sản xuất butanol từ ngô [9]

(Chú thích: 1 Tiền xử lý; 2 Thủy phân tinh bột; 3 Thủy phân xenlulô; 4 Thủy phân hemi-xenlulô; 5&6 Chuyển hóa glucô và xylô thành pyruvate; 7,8&9 Chuyển hóa pyruvate thành etanol, aceton

và butanol bằng enzyme)

Hình I.5 Các công nghệ sản xuất butanol sinh học

I.3.3 Tiềm năng nguyên liệu Việt Nam

Việt Nam là một nước có nguồn nông sản lớn đặc biệt là lúa gạo, mía, sắn và ngô, đây là những nguồn nguyên liệu thích hợp cho công nghệ sản xuất butanol theo phương pháp lên men

Theo Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn thì hoạt động sản xuất lương thực trong những năm gần đây ở nước ta tăng lên rõ rệt, đặc biệt là về sản lượng Năm 2000, tổng sản lượng lương thực các loại cả nước mới đạt 38,1 triệu tấn thì đến năm 2009 đã tăng lên 51,88 triệu tấn Trong đó, tổng sản lượng lương thực có hạt (chủ yếu là lúa, ngô) ước đạt 43,33 triệu tấn, tăng hơn 13 ngàn tấn (tăng 0,3%) so với năm 2008; sản lượng lúa cả năm 2009 đạt 38,9 triệu tấn, tăng 20 ngàn tấn (tăng 0,5%), sản lượng ngô đạt 4,43 triệu tấn, giảm gần 7 ngàn tấn (giảm 1,5%)

Bảng I.7 Sản lượng nông phẩm năm 2009

o Lúa: khu vực ĐBSCL dẫn đầu cả nước về sản lượng lúa, chiếm khoảng

52,7% vựa lúa cả nước Tại vùng này, một số tỉnh như Long An, Đồng Tháp,

Kiên Giang, An Giang là các tỉnh có sản lượng lúa lớn nhất

Hình I.6 Phân bố sản lượng lúa theo các khu vực

(Nguồn: Tổng cục Thống kê 2009)

o Ngô: khu vực Trung du và miền núi phía Bắc dẫn đầu cả nước về sản lượng

ngô (chiếm 34,5%), khu vực Tây Nguyên (chiếm 26,2%) Một số tỉnh như Sơn La, Đắc Nông, Đắc Lắc, Đồng Nai, Gia Lai… là các tỉnh có sản lượng

ngô lớn nhất

Hình I.7 Phân bố sản lượng ngô theo các khu vực

(Nguồn: Tổng cục Thống kê 2009)

o Sắn: khu vực Bắc Trung Bộ và duyên hải miền Trung dẫn đầu cả nước về

sản lượng sắn chiếm khoảng 30,1%, tiếp đến là khu vực Đông Nam Bộ (28,4%) và Tây Nguyên (25%) Các tỉnh như Tây Ninh, Gia Lai, Kon Tum

chiếm sản lượng sắn lớn nhất nước

Hình I.8 Phân bố sản lượng sắn theo các khu vực

o (Nguồn: Tổng cục Thống kê 2009)Mía: khu vực Bắc Trung Bộ và duyên hải

miền Trung có sản lượng mía cao nhất nước, tiếp đó là khu vực Đồng bằng sông Cửu Long Các địa phương như Thanh Hóa, Nghệ An (Bắc Trung Bộ)

có sản lượng mía lớn nhất chiếm gần 20% sản lượng mía cả nước Các tỉnh như Tây Ninh, Long An, Cần Thơ, Sóc Trăng (phía Nam), tiếp đến là khu vực Đông Nam Bộ sản lượng mía cũng tương đối

Hình I.9 Phân bố sản lượng mía theo các khu vực

(Nguồn: Tổng cục Thống kê 2009)

Các loại cây nông nghiệp trên tuy có sản lượng lớn, ổn định và có kế hoạch phát triển dài hạn nhưng nếu xét về nguồn cung hiện tại thì nguồn nông sản lúa, mía, sắn và ngô sẽ không thể sử dụng làm nguyên liệu cho nhà máy sản xuất butanol do ảnh hưởng đến vấn đề an ninh lương thực Hơn nữa lượng sắn sản xuất hiện tại đang cung cấp làm nguyên liệu cho các nhà máy chế biến thức ăn gia súc và

sản xuất etanol sinh học Và cây mía hiện đang được dùng làm nguyên liện cho ngành sản xuất đường Đối với cây ngô, dù sản lượng tăng hàng năm nhưng nước ta vẫn phải nhập khẩu để đáp ứng nhu cầu trong nước Như vậy, để giải quyết vấn đề nguyên liệu (như ngô, sắn, mía) trong nước cho dự án sản xuất butanol thì cần có những chính sách quy hoạch về nông nghiệp ưu tiên tăng diện tích đất trồng và các chính sách hỗ trợ khác

Bảng I.8 Sản lượng phụ phế phẩm ước tính qua các năm

Đơn vị: triệu tấn/năm

I.4 Tiềm năng và xu hướng sử dụng n-butanol thay thế nhiên liệu truyền thống

Hiện tại xăng pha n-butanol vẫn chưa phân phối sử dụng rộng rãi làm nhiên liệu trong giao thông vận tải mà mới chỉ được dùng thử nghiệm ở một số nơi trên thế giới Kết quả thử nhiệm cho thấy xăng pha n-butanol đáp ứng tính năng làm việc của nhiên liệu đối với phương tiện xe cộ hiện hữu mà không cần hoán cải động cơ