Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015 tầm nhìn đến năm 2025

Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015 tầm nhìn đến năm 2025

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

– Nguồn nhiên liệu chính hiện nay sử dụng cho động cơ đốt trong chủ yếu vẫn là các sản phẩm có nguồn gốc từ dầu mỏ, sự phát triển nhanh chóng của các loại phương tiện, máy móc đã đẩy nhu cầu khai thác nguồn dầu mỏ ngày càng cao. Đây chính là nguyên nhân làm giá dầu mỏ biến động liên tục và gây bất ổn về an ninh năng lượng của các quốc gia. Dự báo đến năm 2050 nguồn dự trữ dầu mỏ trên trái đất hầu như cạn kiệt.

– Bên cạnh đó, ô nhiễm môi trường và biến đổi khí hậu là vấn đề đang được cả thế giới quan tâm bởi vì chúng ảnh hưởng đến sức khỏe và tính mạng của tất cả mọi người trên trái đất. Sự nóng lên của vỏ trái đất là do sự có mặt ngày càng nhiều của các khí gây “hiệu ứng nhà kính”, trong đó phải kể đến khí CO₂ sản phẩm chính của quá trình cháy. Hoạt động của các phương tiện, máy móc là do năng lượng của quá trình đốt cháy nhiên liệu trong động cơ cung cấp. Theo các nhà khoa học ở đài quan trắc Mauna Loa, Hawaii vấn đề ô nhiễm môi trường trên trái đất hiện nay đáng báo động. Lượng khí thải CO₂ trong khí quyển đã đạt đến mức 387 ppm, tăng hơn 40% so với thời kỳ cách mạng công nghiệp. Đây cũng là mức cao nhất trong vòng 650.000 năm trở lại đây. Cũng theo báo cáo của các nhà khoa học, lượng khí CO₂ đang tăng nhanh hơn bao giờ hết. Năm 2007 tốc độ tăng là 2,14ppm. Trong khi đó, từ năm 1970 đến 2000, tốc độ này là 1,5ppm mỗi năm.

Đứng trước hai vấn nạn trên, các nước trên thế giới đã nghiên cứu tìm ra nguồn năng lượng khác thay thế cho dầu mỏ, một trong các nguồn năng lượng thay thế có nhiều ưu điểm, đó là nhiên liệu sinh học mà các loại cồn là một trong những lựa chọn đầu tiên. Nhiên liệu sinh học được sản xuất từ các sản phẩm của nông nghiệp nên chúng được tái sinh theo chu trình tuần hoàn kín, và khi tuân theo chu trình này thì lượng phát thải CO₂ đối với mỗi chu trình có thể xem như bằng không.

Ngày nay, tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường để bảo vệ môi trường sống trên trái đất, cũng như đảm bảo an ninh năng lượng toàn cầu đang là mục tiêu nghiên cứu của các nhà khoa học trên toàn thế giới.

Nhận thấy tầm quan trọng của việc phát triển nguồn nhiên liệu sinh học ngày 20/11/2007 Chính phủ đã phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” với mục tiêu chủ yếu phát triển nhiên liệu sinh học, một dạng năng lượng mới, tái tạo được để thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch truyền thống, góp phần bảo đảm an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường.

Hiện nay, ở nước ta có rất nhiều nhà máy sản xuất cồn đã và đang xây dựng, cụ thể ở khu vực miền Trung hiện có nhà Máy cồn Thiên Tân đặt tại huyện Đại Lộc – tỉnh Quảng Nam với sản lượng cồn sản xuất sau khi hoàn thành cả hai giai đoạn là 100.000 tấn cồn/năm và nhà máy sản xuất cồn tại Dung Quất – tỉnh Quảng Ngãi công suất của nhà máy 100 triệu lít Ethanol/năm…

Butanol (C₄H₉OH), có cùng nhóm chức OH như Ethanol (C₂H₅OH) và thuộc loại rượu mạnh (Rượu Etylic). Xét về tính chất của nhiên liệu thì Butanol rất phù hợp sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt cháy cưỡng bức. Butanol có thể pha vào xăng để tạo thành các hỗn hợp nhiên liệu cho động cơ. Butanol sinh học có nhiều ưu điểm hơn Ethanol sinh học như: dễ tan lẫn vào xăng, máy móc ít nguy cơ bị ăn mòn do tính không hút nước, giảm phát thải ô nhiễm môi trường; không tan lẫn vào nước nên dễ chưng cất đạt độ tinh khiết tuyệt đối; mật độ năng lượng cao hơn Ethanol sinh học 25%, gần bằng mật độ năng lượng của xăng chế từ dầu mỏ, có áp suất hơi thấp hơn nhiều so với xăng cũng như Ethanol sinh học nên ít bị hao hụt do bay hơi trong quá trình tàng trữ, vận chuyển, phân phối và an toàn khi sử dụng…

Vì lý do nêu trên đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn hỗn hợp Butanol – Xăng RON92 đến tính năng kinh tế kỹ thuật trên động cơ xăng truyền thống” có ý nghĩa quan trọng và hết sức cấp thiết, không những góp phần làm đa dạng hóa nguồn nhiên liệu sạch dùng cho động cơ đốt trong thay thế dần cho nhiên liệu dầu mỏ ngày càng cạn kiệt, mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường toàn cầu hiện nay, đồng thời đánh giá được khả năng phối trộn của nhiên liệu sinh học Butanol với xăng RON92 để sử dụng hiệu quả trên động cơ ô tô, nhằm tiết kiệm nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt.

2. Mục tiêu nghiên cứu

– Khảo sát một số tính chất của xăng pha Butanol trong tồn chứa và sử dụng.

– Đánh giá tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu Butanol với xăng RON92.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Động cơ 021-A-2000 do hãng SEAT SYSTEM PORSCHE sản xuất: Động cơ kiểu I4 Dual Overhead Cam; thể tích 1461cm³ dùng bộ chế hòa khí. Tỷ số nén 10,5; đường kính xy lanh 86,4 [mm]; hành trình piston 63,9 [mm].

+ Sử dụng hỗn hợp nhiên liệu pha Butanol với xăng RON92.

+ Thực nghiệm trên băng thử thủy lực FROUDE tại Trung tâm nghiên cứu và ứng dụng thay thế – Trường đại học Bách Khoa –Đại học Đà Nẵng.

Phạm vi nghiên cứu: Đề tài tập trung nghiên cứu đánh giá sự tương hợp của Butanol với xăng RON92 về một số chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của hỗn hợp nhiên liệu 5%, 10%, 15%, 20% Butanol (Bu5, Bu10, Bu15, Bu20) với xăng RON92 trên băng thử động cơ. Trên cơ sở phân tích, đo đạc, đánh giá một số chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và mức độ ô nhiễm môi trường của động cơ mà không thay đổi bất cứ một thông số kỹ thuật nào của động cơ.

4. Phương pháp nghiên cứu

Cách tiếp cận: Nghiên cứu, thu thập thông tin, tìm kiếm tài liệu, dựa trên các công trình đã công bố, thử nghiệm, khảo sát, đo đạt kết quả, phân tích và xử lý số liệu, viết báo cáo luận văn, kiến nghị, đề xuất ứng dụng nhiên liệu sinh học Butanol với xăng RON92 sử dụng cho động cơ ô tô.

Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm bằng hệ thống băng thử động cơ có độ chính xác cao, trang thiết bị đồng bộ, hiện đại – Tại Phòng thí nghiệm động cơ thuộc Khoa Cơ khí Giao Thông – Trường đại học Bách Khoa –Đại học Đà Nẵng. Trong đó tập trung nghiên cứu thực nghiệm nhiều hơn và chú trọng nhiều đến chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, nhằm tìm ra tỷ lệ phối trộn hợp lý của nhiên liệu sinh học Butanol từ 5%, 10%, 15%, 20% với xăng RON92 sử dụng cho động cơ ô tô truyền thống.

5. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu này được thực hiện trực tiếp trên băng thử động cơ hiện đại, có độ chính xác cao trang thiết bị đồng bộ, nhằm xác định được tỷ lệ phối trộn hợp lý nhất của hỗn hợp nhiên liệu sinh học Butanol từ 5% đến 20% thể tích với xăng RON92 sử dụng cho động cơ ô tô, mà tại đó công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và thành phần các chất thải gây ô nhiễm của động cơ giống như trong thực tiễn. Luận văn góp phần đánh giá được quá trình hình thành hỗn hợp và cháy của nhiên liệu sinh học Bu5, Bu10, Bu15 và Bu20 trong động cơ xăng truyền thống. Ảnh hưởng của nhiên liệu sinh học này đến tính năng kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ.

Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015 tầm nhìn đến năm 2025

Ý nghĩa về kinh tế xã hội: Nghiên cứu khả năng ứng dụng nhiên liệu sinh học phối trộn Butanol với xăng RON92 sử dụng cho động cơ ô tô, không những góp phần giải quyết các khó khăn trước mắt do giá xăng dầu tăng cao mà còn mở ra một hướng phát triển lâu dài về sản xuất nhiên liệu sinh học dựa trên những ưu thế nội tại của đất nước.

Butanol có thể pha trộn với xăng theo tỷ lệ lớn sử dụng được trên các động cơ ô tô mà không thay đổi bất kỳ thông số kỹ thuật nào của động cơ. Đề xuất ứng dụng hỗn hợp nhiên liệu sinh học xăng RON92 với Butanol sử dụng cho động cơ ô tô, vì tương lai sẽ làm giảm được chi phí nhiên liệu, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và giảm áp lực cho nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt.

6. Dự kiến cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu và kết luận, đề tài của luận văn: “Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn hỗn hợp Butanol – Xăng RON92 đến tính năng kinh tế kỹ thuật trên động cơ xăng truyền thống” được trình bày trong 04 chương, cụ thể như sau:

Chương 1- Tổng quan về nhiên liệu sinh học. Các nghiên cứu và sử dụng xăng sinh học cho động cơ đốt trong trên thế giới và tại Việt Nam.

Chương 2- Quá trình cháy trong động cơ đốt cháy cưỡng bức. Đánh giá một số chỉ tiêu của xăng pha Etanol và Butanol. Cơ chế và các yếu tố hình thành CO và HC trong động cơ đánh lửa cưỡng bức.

Chương 3- Nghiên cứu thực nghiệm về quá trình cháy và phát thải các chất ô nhiễm từ động cơ khi thử nghiệm hỗn hợp nhiên liệu sinh học xăng RON92 phối trộn Buta nol từ 5% đến 20% so với xăng nguyên thủy RON92.

Chương 4- Xử lý, phân tích và đánh giá các kết quả thực nghiệm về chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và ô nhiễm khí thải của nhiên liệu sinh học Butanol với xăng RON92, từ đó xác định tỷ lệ phối trộn hợp lý nhất của nhiên liệu sinh học Butanol với xăng RON92 sử dụng cho động cơ đánh lửa cưỡng bức trên ô tô.

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ VỀ NHIÊN LIỆU SINH HỌC

- 1. 1.1.1. Khái quát chung về nhiên liệu sinh học

Nhiên liệu sinh học (NLSH) là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc động thực vật. Đây là nguồn nhiên liệu thay thế tiềm năng cho nhiên liệu hóa thạch trong tương lai. Ví dụ như nhiên liệu chế xuất chất béo từ động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa, dầu mè,…), ngũ cốc (sắn, ngô, lúa mỳ, đậu tương, …), chất xơ trong nông nghiệp (rơm rạ, bã mía, …), sản phẩm trong công nghiệp (mùn cưa, dăm gỗ,…). NLSH dùng cho giao thông vận tải chủ yếu gồm các loại cồn (Ethanol, Methanol, Butanol), các loại diesel sinh học (sản xuất từ dầu thực vật phế thải, mỡ động vật). Một số ưu điểm chính của NLSH so với các loại nhiên liệu truyền thống như sau:

a.Ưu điểm

– 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,…).

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

b. 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. Ngoài ra, 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 1 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 biên tính phân hủy theo thời gian).

Tùy theo lợi thế về nguyên liệu của mỗi quốc gia trên thế giới, nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất nhiên liệu sinh học là sản phẩm nông nghiệp, các loại hạt có dầu, rong tảo, xenlulô và một phần nhỏ từ các loại mỡ cá, mỡ động vật nói chung. 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 đựòng, 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: sinh hóa và nhiệt hóa.

-NLSH thế hệ thứ ba: 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 15 -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 chu trình) cho phép thu hoach nhiều và liên tục với năng suất cao. 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.

- 1. 1.1.2. Nhiên liệu sinh học – xu hướng giảm thiểu ô nhiễm môi trường

a. Bioethanol

Ethanol đã có lịch sử phát triển lâu đời và được ứng dụng lên động cơ đánh lửa cưỡng bức, động cơ chạy ethanol đã ra đời từ những năm đầu tiên trong thời kỳ phát triển của động cơ đốt trong. Henry Ford là người đầu tiên đề xuất việc sử dụng ethanol 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 ethanol làm nhiên liệu sử dụng cho động cơ trên toàn thế giới.

Ethanol (công thức phân tử C2H5OH) là một hợp chất hữu cơ nằm trong dãy đồng đẳng của ancol methylic. Ethanol là chất lỏng, không màu, mùi thơm dễ chịu và đặc trưng, vị cay, nhẹ hơn nước, dễ bay hơi, sôi ở nhiệt độ 78,39°C, hóa rắn ở -114,15°C, dễ cháy, khi cháy không có khói và ngọn lửa có màu xanh da trời. Ethanol được chế biến thông qua quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ như tinh bột, cellulose, lignocellulose.

Ethanol 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 ra, tinh bột hay đường là những nguồn nguyên liệu để chế tạo ra cồn ethanol. Ở Brazil thì ethanol được sản xuất từ bã mía, vì vậy giá thành rất rẻ và thân thiện với môi trường. Còn ở Pháp thì ethanol được sản xuất chủ yếu từ nho, khiến cho lượng nho cung cấp cho việc sản xuất rượu vang bị suy giảm. Ngoài ra ethanol còn có thể được sản xuất từ gỗ (Xenlulo). Ethanol nguyên chất ít được dùng làm nhiên liệu, thông thường ethanol được pha với xăng để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong.

b. Biobutanol

Butanol có công thức C₄H₉OH, tức là có cùng nhóm chức OH như ethanol, nhưng số nhóm CH₂ nhiều hơn gấp 3 lần nên thuộc loại rượu mạnh. Tuy có cùng nhóm chức OH nhưng chứa cấu trúc mạch cacbon dài hơn và có nhiều nhánh nên butanol ít hoặc khó hòa vào nước so với ethanol.

Cũng giống như ethanol, butanol thu được thông qua tổng hợp hóa học gọi là butanol tổng hợp, được dùng chủ yếu như một dung môi trong công nghiệp, còn nếu thu được bằng con đường sinh học thì gọi là butanol sinh học, được dùng như nhiên liệu. Butanol sinh học có nhiều ưu điểm hơn ethanol sinh học, như dễ tan lẫn vào xăng, máy móc ít nguy cơ bị ăn mòn do tính không hút nước; không tan lẫn vào nước nên dễ chưng cất đạt độ tinh khiết tuyệt đối; mật độ năng lượng cao hơn ethanol sinh học 25%, gần bằng mật độ năng lượng của xăng chế từ dầu mỏ; chỉ số octan cao xấp xỉ chỉ số octan của xăng trung bình nên khi sử dụng không phải hoán cải động cơ chạy xăng thông thường; có áp suất hơi thấp hơn nhiều so với xăng cũng như ethanol sinh học nên ít bị hao hụt do bay hơi trong quá trình tàng trữ, vận chuyển, phân phối và an toàn khi sử dụng…

Do những ưu việt nói trên nên hiện nay, butanol sinh học được coi là chọn lựa ưu tiên làm nhiên liệu thay thế xăng sản xuất từ dầu mỏ. Ngoài ra, ethanol sinh học và butanol sinh học còn được chọn làm nhiên liệu cho pin nhiên liệu (fuel cell) dùng trong giao thông vận tải thay cho hydrogen, tuy nhiên phải dùng bộ tái tạo ra hydrogen (hydrogen reformer) ngay trong xe để có hydrogen trước khi cung cấp cho pin nhiên liệu. Lượng khí CO₂ do pin thải ra trong trường hợp này chính là lượng CO₂ trong khí quyển được thực vật hấp thụ trong quá trình quang hợp trước đó, nên có thể xem như cân bằng về CO₂ trong môi trường, không có phát thải thêm.

c. Methane (biogas)

Biogas là nhiên liệu tái sinh được sản xuất từ chất thải hữu cơ, vì vậy việc sử dụng nó làm nhiên liệu không làm tăng nồng độ CO₂ trong khí quyển. Thành phần chính của biogas là CH₄ (50 – 60%) và CO₂ (> 30%) còn lại là các chất khác như hơi nước N₂, O₂, H₂S, CO … được thuỷ phân trong môi trường yếm khí, xúc tác nhờ nhiệt độ từ 20 – 40°C, nhiệt trị thấp của CH₄ là 37,71.10³KJ/m³ do đó có thể sừ dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Để sử dụng biogas làm nhiên liệu thì phải xử lý biogas trước khi sử dụng 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 SO_x cũng là một khí rất độc. Hơi nước có hàm lượng nhỏ nhưng ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ ngọn lửa, giới hạn cháy, nhiệt trị thấp và tỷ lệ không khí/nhiên liệu của biogas. Để có thể sử dụng biogas làm nhiên liệu, việc đầu tiên là phải lọc các tạp chất có hại. Tiềm năng biogas của Việt Nam từ chất thải chăn nuôi là rất lớn, khoảng 2 tỷ m³. Nếu lấy trung bình 200m³ biogas/tấn nguyên liệu và 10% biomass được chuyến thành biogas thì mỗi năm chúng ta có thể sản xuất được 2 tỷ m³ biogas. Cộng với 2 tỷ m³ biogas sản xuất từ chăn nuôi thì mỗi năm chúng ta có thể sàn xuất được 4 tỷ m³ biogas [2].

Hình 1.1. Ứng dụng biogas để phát điện

Tuy nhiên ở nước ta thì vấn đề khai thác biogas để phát điện là rất khó khăn vì nguồn nhiên liệu không tập trung và qui mô không đều. Những nơi có sàn lượng biogas lớn như bãi chôn lấp rác, các trạm xử lý nước thải … có thể sử dụng động cơ cỡ lớn để kéo máy phát điện. Các trại chăn nuôi trung bình và nhỏ, nếu sử dụng động cơ cỡ lớn thì không đủ biogas để chạy liên tục, nếu dùng động cơ cỡ nhỏ thì không đảm bảo được công suất cần thiết cho sản xuất. Vì vậy trong thực tế hiện nay, phần lớn các hầm biogas ở nước ta chỉ dùng cho việc đun nấu. Ở những trại chăn nuôi heo chừng 50 con trở lên, lượng biogas sinh ra trở nên dư thừa cho nhu cầu đun nấu và chúng được thải ra ngoài khí quyển. Trong khi đó CH₄ có tác dụng gây hiệu ứng nhà kính gấp 23 lần so với CO₂, việc thải chúng ra không khí sẽ rât nguy hiểm đối với môi trường. Vì vậy việc tận dụng biogas từ các nguồn khác nhau để sản xuất điện năng là rất cần thiết để giảm phát thải gây hiệu ứng nhà kính và tiết kiệm nhiên liệu hoá thạch.

d. Biohydrogen

Ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn hydro là một khí lưỡng nguyên tử có công thức phân tử H₂, không màu, không mùi, dễ bắt cháy, có nhiệt độ sôi 20,27 K (-252,87 °C) và nhiệt độ nóng chảy 14,02 K (-259,14 °C). Tinh thể hydro có cấu trúc lục phương. Hydro có hóa trị 1 và có thể phản ứng với hầu hết các nguyên tố hóa học khác. Hydro có những đặc tính cơ bản của nhiên liệu gốc hoá thạch. Hydro có thể cháy trực tiếp trong động cơ đốt trong hoặc có thể sử dụng trong pin nhiên liệu để sản xuất điện năng nhờ quá trình phản ứng giữa H₂ và O₂ (ngược lại với quá trình điện phân nước). Năng lượng H₂ sinh ra để dẫn động cho các chi tiết khác với hiệu suất cao (từ 30 – 50%) [15]. Khi hydro bị ôxy hoá trong pin nhiên liệu thì khí thải duy nhất một thành phần là hơi nước. Khi cháy hydro trong động cơ đốt trong thì hơi nước là một trong những thành phần chính của khí phát thải bởi vì quá trình cháy giữa N₂ và O₂ tạo ra nhiệt độ cháy đủ cao để hình thành phản ứng giữa H₂ và O₂. Vì vậy sử dụng hydro làm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông vận tải là một phương án tốt nhất để giảm thải khí nhà kính góp phần bảo vệ tầng ozon. Với những ưu điểm như vậy thì người ta gọi hydro là “nhiên liệu của tương lai”. Để sản xuất hydro thì có rất nhiều cách và hầu hết rất đơn giản. Có ba cách chính để sản xuất hydro đó là điện phân nước, các phản ứng hoá học và quá trình khí hoá:

-Điện phân nước: Hydro chỉ chiếm có 10% khối lượng của nước và có thể tách riêng rẽ với O₂ sau khi điện phân. Tuy nhiên, để sản xuất đủ lượng hydro cần thiết thì cần một nguồn điện rất lớn. Hơn nữa, những vật liệu làm điện cực rất đắt, vì vậy nó kéo theo giá thảnh để sản sinh hydro cũng tảng lên. Tuy nhiên đó chi là những đáu tu ban đầu, chúng ta có thê sử dụng những nguồn năng lượng khác để điện phân như dùng sức nước (thuỷ điện, thuỷ triều) hay sức gió, năng lượng mật trời …[16].

– Các phản ứng hoá học: Trong các phản ứng này thì nguyên liệu gốc để chế tạo hydro là khí thiên nhiên, khí dầu mò, dầu mỏ hay khí sinh học. Những phản ứng này cần phải trải qua hai bước, ví dụ như khí thiên nhiên (có 95% là methane):

+ Chuyển từ khí thiên nhiên sang khí đốt tổng hợp (syngas)

CH₄ + H₂0 🡪 CO + 3H₂

+ Phản ứng CO khử nước thành hydro

CO + H₂O 🡪 CO₂ + H₂

– Quá trình khí hoá: là quá trình chuyển đổi nhiên liệu (dầu nặng, than đá và nhiên liệu sinh khối) để tạo thành hydro bằng cách ôxy hoá nhiên liệu (Undergroundcoal gasification). Những nhiên liệu này cần một lượng ôxy đủ để hoàn thành quá trình cháy ngay dưới lòng đất, kết quả sẽ tạo ra khí CO và H₂. Cũng tạo ra sản phẩm trong quá trình điện phân nước, Yull Brovvn đã nghiên cứu sử dụng cả hai sản phẩm của quá trình điện phân là H₂ và O₂ để làm chất đốt. Với tỷ lệ về thể tích của khí H₂:O₂ là 2:1, quá trình cháy được cải thiện nhờ có khí O₂ bổ sung thêm vào hỗn hợp. Với tỉ lệ như vậy thì hỗn hợp khí này còn gọi là khí HHO hoặc khí Brovvn (Brown’s gas).[17]

e. Biodiesel

Biodisel được gọi là một dạng nhiên liệu dùng để thay thế diesel, có nguồn gốc từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật. Về phương diện hóa học thì diesel sinh học là methyl, ethyl ester của những acid béo.

Để sản xuất diesel sinh học người ta pha khoảng 10% methanol vào dầu thực vật và dùng nhiều loại chất xúc tác khác nhau (đặc biệt là hidroxít kali, hidroxit natri và các ancolat). Ở áp suất thông thường và nhiệt độ vào khoảng 60°C liên kết este của glyxerin trong dầu thực vật bị phá hủy và các axit béo sẽ được este hóa với methanol. Chất glyxerin hình thành phải được tách ra khỏi dầu diesel sinh học. So với diesel truyền thống, biodiesel có những ưu điểm sau:

– Quá trình cháy sạch do có chứa khoảng 11% khối lượng ôxy, chỉ số xêtan cao, hàm lượng lưu huỳnh thấp, ít hydro cácbon thơm dẫn tới giảm đáng kể phát thải HC (gồm các HC mạch vòng), CO, SOx, giảm đóng cặn trong động cơ.

– Có khả năng tự phân hủy và không độc (phân hủy nhanh hơn diesel 4 lần, phân hủy 80 – 85% trong nước sau 28 ngày)

– Có điểm chớp cháy cao hơn diesel, đốt cháy hoàn toàn, an toàn trong bảo quản và sử dụng.

– Biodiesel có tính bôi trơn tốt.

g. Dimethyl ether (DME)

Ở nhiệt độ môi trường, áp suất khí quyển, DME là chất khí không màu, hóa lỏng với điều kiện áp suất thấp (0,5 MPa ở 25°C). DME không độc, không ăn mòn và không có chất gây ung thư, phân hủy nhanh trong môi trường tự nhiên.

DME có thể được sản xuất từ khí tự nhiên thông qua 2 bước: chuyển đổi khí tự nhiên thành methanol sau đó khử nước methanol (2CH₃OH 🡪 CH₃OCH₃ + H₂O) ta sẽ thu được DME. Quá trình tương tự có thể được thực hiện bằng cách sử dụng nguyên liệu tái sinh để sản xuất methanol.

DME có trị số cetane khá cao (khoảng 55) trong khi trị số cetane của diesel là 40-53. Động cơ sử dụng DME có quá trình cháy rất tốt, đặc biệt giảm đáng kể lượng phát thải NO_x và muội than. Tuy nhiên nhiệt trị và độ nhớt của DME lại khá thấp, do vậy khi sử dụng trên động cơ diesel thông thường cần phải cải tiến lại hệ thống nhiên liệu cho phù hợp.

1.2. NHIÊN LIỆU BUTANOL VÀ ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM

- 1. 1.2.1. Nhiên liệu butanol

Butanol hoặc rượu butylic có công thức phân tử C₄H₉OH, có 4 đồng phân.


n-butanol	isobutanol	sec-butanol	tert-butanol

Hình 1.2. Các đồng phân của butanol

Công thức C₄H₉OH, tức là có cùng nhóm chức OH như ethanol nhưng số nhóm CH₂ nhiều hơn gấp 3 lần nên thuộc loại rượu mạnh. Tuy có cùng nhóm chức OH nhưng chứa cấu trúc mạch cacbon dài hơn và có nhiều nhánh nên butanol ít hoặc khó hòa vào nước so với ethanol. Cũng giống như ethanol, butanol thu được thông qua tổng hợp hóa học gọi là butanol tổng hợp, được dùng chủ yếu như một dung môi trong công nghiệp, còn nếu thu được bằng con đường sinh học thì gọi là butanol sinh học, được dùng như nhiên liệu.

Trong nội dung đề tài này, ta chỉ quan tâm nhiều đến n-butanol như là một nguồn nhiên liệu sinh học triển vọng.

- 1. 1.2.2. Ưu nhược điểm của nhiên liệu Butanol

a. So sánh ưu điểm xăng butanol so với etanol và xăng

Tính chất butanol gây hấp dẫn trong lĩnh vực nhiên liệu sinh học vì nó có thể trộn với xăng, dùng chung hệ thống phân phối và nạp liệu xăng, và chạy các động cơ chạy xăng dầu hiện hành được. Bảng 1.1 giới thiệu các tính năng phù hợp của butanol, có so sánh etanol và xăng. [8]

Bảng 1.1. So sánh một số tính chất của n-butanol so với xăng và etanol

Tính chất	n-Butanol	Etanol	Xăng
Tỷ trọng 20⁰C	0.814	0.794	0.720-0.775
Nhiệt chat, MJ/L	26.9-27.0	21.1-21.7	32.2-32.9
Chỉ số OCtan nghiên cứu (RON)	94	106-130	95
Chỉ số OCtan cho mô tô (MON)	80-81	89-103	85
Áp suất hơi Reid RVP dành cho hỗn hợp rươu/xăng %% và 10%, psi	6.4/6.4	31/20	+
Hàm lượng oxy, %	21.6	34.7	<2.7
Độ tan trong nước ở 25⁰C, %	9.1	100.0	<0.01
+ Để so sánh, giá trị RVP của xăng mùa hè/mùa đông là <7.8/15

b. Những khác nhau về tính chất này đem lại cho butanol những ưu điểm chính yếu [7]

– Butanol có thể vận hành thuận tiện trong các cơ sở hạ tầng dành cho chế biến, lưu trữ dầu mỏ kể cả vận chuyển bằng đường ống.

– Butanol có thể trộn được với xăng hoặc dầu ở bất kỳ tỷ lệ nào. Vì vậy, nó làm giảm chi phí đầu tư liên quan đến việc làm mới lại nhà máy hoặc những thay đổi trong điều hành.

– Do mạch phân tử của nó gồm 4 nguyên tử cacbon, dài hơn so với etanol hay metanol nên tính phân cực của nó yếu, dễ tan lẫn vào xăng, máy móc ít nguy cơ bị ăn mòn do tính không hút nước; không tan lẫn vào nước nên dễ chưng cất đạt độ tinh khiết tuyệt đối, giảm thiểu sự rò rỉ và lan vào nước ngầm hoặc cặn bùn trong ống, thùng và các dụng cụ thiết bị khác.

– Chỉ số octan cao xấp xỉ chỉ số octan của xăng trung bình, mật độ năng lượng cao hơn ethanol sinh học 25%, gần bằng mật độ năng lượng của xăng chế từ dầu mỏ; nên khi sử dụng không phải hoán cải động cơ chạy xăng thông thường.

– Có áp suất hơi thấp hơn nhiều so với xăng cũng như ethanol sinh học nên ít bị hao hụt do bay hơi trong quá trình tàng trữ, vận chuyển, phân phối và an toàn khi sử dụng.

– Giống như các rượu khác, butanol cũng có khả năng phân hủy sinh học giúp giới hạn các tác động xấu đến môi trường như biến cố rò rỉ hoặc chảy tràn.

Do những ưu việt nói trên nên hiện nay butanol sinh học được coi là chọn lựa ưu tiên làm nhiên liệu thay thế xăng sản xuất từ dầu mỏ. Ngoài ra butanol sinh học còn được chọn làm nhiên liệu cho pin nhiên liệu (fuel cell) dùng trong giao thông vận tải thay cho hydrogen, tuy nhiên phải dùng bộ tái tạo ra hydrogen (hydrogen reformer) ngay trong xe để có hydrogen trước khi cung cấp cho pin nhiên liệu. Lượng khí CO₂ do pin thải ra trong trường hợp này chính là lượng CO₂ trong khí quyển được thực vật hấp thụ trong quá trình quang hợp trước đó nên có thể xem như cân bằng về CO₂ trong môi trường, không có phát thải thêm.

Công nghệ sản xuất butanol hiện nay cũng đã được tìm hiểu kỹ lưỡng và sẽ sớm được áp dụng vào thực tế. Trong giai đoạn hai, là việc phát triển quá trình công nghệ sinh học mới sử dụng một công nghệ biến đổi cao hơn còn đang trong quá trình thực hiện. Sự sản xuất nhiên liệu sinh học với ý định sử dụng một phạm vi nguyên liệu rộng như mía đường, hoặc củ cải đường, bắp, lúa mì, hoặc khoai mì và trong tương lai, các nguyên liệu xenlulô từ “những cây năng lượng” trồng nhanh như là các loại cỏ, hoặc “các sản phẩm phụ nông nghiệp” như rơm rạ và thân bắp. Bởi vì sản xuất butanol sinh học là tương tự như etanol và sử dụng các nguyên liệu tương tự. Khả năng sản xuất etanol hiện nay có thể phải trang bị thêm những bộ phận mới để sản xuất butanol sinh học.

Butanol sinh học sẽ đảm bảo lợi ích môi trường một cách hiệu quả hơn các nhiên liệu vận chuyển xuất phát từ dầu mỏ, giảm sự bốc hơi vào môi trường và khí nhà kính. Nhiên liệu sinh học giúp duy trì, và ngay cả giảm thể tích tiềm năng của carbon dioxide bốc ra và đi vào khí quyển. Vấn đề này do cây trồng sử dụng để sản sinh nhiên liệu sinh học hút carbon dioxide khi chúng lớn lên, trong khi nhiên liệu sinh học phát ra tương tự khối lượng của carbon dioxide của nhiên liệu hóa thạch truyền thống khi chúng bị đốt cháy.

1.3. NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XĂNG SINH HỌC TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

- 1. 1.3.1. Nghiên cứu sử dụng xăng sinh học ngoài nước

Mỹ là quốc gia tiêu thụ hàng năm 25% năng lượng trên thế giới (trong khi chỉ có 6% trữ lượng dầu mỏ), hơn 60% dầu mỏ phải nhập từ bên ngoài. Sự thâm hụt cán cân thương mại năng lượng lên đến trên 80 tỷ USD. Để đảm bảo an ninh năng lượng, một mặt nước này phải tranh giành quyền kiểm soát các khu vực dầu mỏ lớn và các tuyến đường chiến lược vận tải dầu mỏ trên thế giới; mặt khác phải đầu tư lớn từ ngân sách để nghiên cứu các dạng nhiên liệu thay thế. Năm 1998, Tổng thống Mỹ B. Clinton đã ký sắc lệnh 13101 về sử dụng sản phẩm sinh học thay thế một phần dầu mỏ. Hiện nay số lượng sản xuất ethanol từ hạt bắp đã gần đủ nhu cầu cung cấp cho các công ty dầu hỏa để trộn 10% vào các loại xăng chế ra từ dầu thô đang bán trên thị trường được gọi là E10. Hoa Kỳ dự trù năm 2011 sẽ sản xuất được 46 tỷ lít ethanol từ hạt bắp dùng chạy động cơ xe hơi. Số lượng này đã tăng gấp đôi so với năm 2006 là năm tổng thống Bush phát động về phát triển nguồn năng lượng tái tạo tại Saint Louis và được tổng thống Barack Obama tiếp tục theo đuổi. Để sử dụng nhiên liệu sinh học, Mỹ đã ban hành nhiều đạo luật về môi trường như cấm sử dụng phụ gia hoá học tăng trị số ốctan gây độc hại ở các vùng đông dân cư; miễn thuế cho nhiên liệu pha cồn; ban hành thuế khuyến khích sản xuất cồn; giảm thuế 1 USD cho mỗi gallon nhiên liệu sinh học…

Brazil là quốc gia đứng hàng đầu thế giới về sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học Ethanol từ mía đường. Với lợi thế là quốc gia có diện tích lãnh thổ trên 8,514 triệu km2 ( gấp 25,7 lần diện tích Việt Nam ). Brazil có đầy đủ điều kiện phát triển và đang là nước đi tiên phong về sản xuất cồn sinh học Ethanol từ cây mía.

Luật pháp của Brazil đặc biệt quan tâm đến việc sản xuất và tiêu thụ loại nhiên liệu sinh học này, thông qua việc qui định tất cả các loại phương tiện giao thông phải sử dụng xăng pha với 20 – 22% Ethanol. Hơn nữa, giá của Ethanol rất thấp, chỉ khoảng 25 đô la Mỹ một thùng ( với dung tích bằng 1 thùng xăng ). Quy định của Chính phủ Brazil nêu trên đã tạo ra hàng triệu việc làm cho người lao động, tiết kiệm được khoảng 60 tỷ đô la nhập khẩu dầu trong vài thập niên vừa qua. Số tiền này lớn gấp 10 lần tổng số tiền đầu tư vào chương trình nghiên cứu, sử dụng công nghệ nhiên liệu Ethanol và gấp hơn 50 lần số tiền đầu tư, trợ cấp ban đầu. Các chính sách quan trọng của Chính phủ Brazil để thúc đẩy sự bùng nổ của nguồn nhiên liệu mới này bao gồm: Việc tiêu thụ được đảm bảo bởi Công ty dầu khí quốc doanh Petrobras thông qua việc cho các doanh nghiệp sản xuất, kinh doanh Ethanol vay với lãi suất thấp, giữ giá Ethanol ổn định, bằng 59% giá xăng do Chính phủ liên bang qui định. Khoảng 25% lượng xăng đã được thay thế bằng Ethanol, số cồn được sản xuất trên 5% diện tích đất nông nghiệp và trong tương lai chắc chắn sẽ còn cao hơn. Sản lượng sản xuất cồn công nghệ sinh học hàng năm tại Brazil tăng trưởng khá lớn (trên 10%), dự kiến sẽ đạt khoảng 32 – 35 tỷ lít vào năm 2015.

Châu Phi cũng bắt đầu tăng tốc với nhiêu liệu sinh học. Nhiều chương trình sản xuất nhiên liệu sinh học đã được khởi động ở một số nước thuộc châu lục Đen với hy vọng nguồn nhiên liệu này sẽ thúc đẩy việc xóa đói nghèo cũng như giúp cắt giảm khí thải gây hiệu ứng nhà kính. Tại Nam Phi, Tổng thống Thabo Mbeki đã kêu gọi nghiên cứu và sản xuất nhiên liệu sinh học. Tháng 7/2006, nước này đã khởi công xây dựng nhà máy đầu tiên của châu Phi để sản xuất ethanol làm từ đường có trong ngũ cốc. Dự kiến những thùng nhiên liệu sinh học đầu tiên sẽ bắt đầu chảy vào cuối năm nay, đồng thời các nhà máy tương tự sẽ được xây dựng và hoạt động vào năm 2010. Tuy là nước sản xuất dầu mỏ lớn nhất châu Phi nhưng Nigeria cũng không tỏ ra tụt hậu. Với sự giúp đỡ kỹ thuật của Brazil, nước này đự định xây dựng 15 nhà máy sản xuất ethanol với hy vọng sẽ kiếm được 150 triệu USD/năm và đưa ra mục tiêu có ôtô chạy bằng ethanol vào năm 2010.

Trong khi đó, Côlômbia cũng đã phát triển công nghệ tiên tiến nhất để sản xuất nguồn nhiên liệu sinh học này từ mía đường. Ethanol hiện chiếm 10% nguồn nhiên liệu sử dụng hàng ngày ở Côlômbia và sẽ tăng lên 20% trong vòng 5 năm tới. Để đáp ứng nhu cầu năng lượng trong nước và xuất khẩu, các nhà máy đường của Côlômbia sẽ tăng khả năng sản xuất ethanol tới 1,5 triệu lít mỗi ngày trong tương lai gần từ các nguồn mía đường, củ cải đường và nhiều loại thực vật khác. Côlômbia đã ban hành đạo luật bắt buộc các đô thị trên 500 ngàn dân phải sử dụng E10.

Trung Quốc là quốc gia sản xuất và sử dụng cồn nhiên liệu lớn sau Braxin và Mỹ. Năm 2004, họ đã đưa vào hoạt động nhà máy sản xuất cồn lớn nhất thế giới công suất 600.000 tấn/năm tại Cát Lâm (mỗi năm tiêu thụ 1,9 triệu tấn ngô làm nguyên liệu), tăng sản lượng cồn ethanol cả nước trên 3,5 triệu m³. Từ tháng 6.2002, nước này đã quyết định sử dụng xăng pha 10% cồn khan (E10) ở 5 thành phố và đến cuối năm 2006 sẽ tăng thêm 27 thành phố đông dân khác và mới đây Trung Quốc vừa khánh thành Nhà máy Điện năng lượng sinh học tại huyện Đơn với công suất 720 kWh.

Ấn Độ chính là cái nôi của công nghệ sản xuất diesel từ hạt dầu mè, Chính phủ nước này đã đề ra mục tiêu trong thời gian tới là sản xuất 40 triệu tấn “nhiên liệu sạch” này. Ấn Độ đã sử dụng xăng pha 5% cồn ở 9 bang và 4 tiểu vùng từ ngày 1.1.2003, các bang còn lại sử dụng ở giai đoạn 2, giai đoạn 3 sẽ tăng 10% cồn pha trong xăng. Năm 1985, Nhà Vua Thái Lan đã khởi xướng dự án hoàng gia về diesel sinh học từ dầu cọ. Ủy ban quốc gia về ethanol (NEC) được thành lập để chỉ đạo các cơ quan khoa học, trường đại học và các doanh nghiệp tham gia chương trình nghiên cứu thử nghiệm xăng pha cồn và diesel sinh học. Đến năm 2004, nước này đã sản xuất trên 280.000 m³ cồn, đầu tư thêm 20 nhà máy để năm 2015 có trên 2,5 triệu m³ cồn dùng làm nhiên liệu.

Tại Malayxia ủy ban dầu cọ Malayxia (MPOB) cho biết, từ nay đến năm 2015 sẽ có 5 nhà máy sản xuất diesel sinh học từ dầu cọ, với tổng công suất gần 1 triệu tấn để sử dụng trong nước và xuất khẩu sang EU. Inđônêxia phấn đấu đến năm 2015 sẽ sử dụng B5 đại trà trong cả nước. Ngoài dầu cọ, sẽ đầu tư trồng 10 triệu ha cây J.Curcas lấy dầu làm diesel sinh học. Achentina đã phê duyệt Luật nhiên liệu sinh học (tháng 4.2006) quy định năm 2010 các nhà máy lọc dầu pha 5% ethanol và 5% diesel sinh học trong xăng dầu để bán trên thị trường. Costa Rica, Philipin… đều có lộ trình sử dụng diesel sinh học từ dầu cọ, dầu dừa. Các quốc gia thuộc Châu Âu đều có chương trình nhiên liệu sinh học như: Đức, Anh, Pháp, Tây Ban Nha, Italia, Hà Lan, Thụy Điển, Bồ Đào Nha, Thụy Sĩ, Áo, Bungari, Ba Lan, Hungari, Ucraina, Belarus, Nga, Slôvakia trong 27 quốc gia trong Liên minh châu Âu (EU) đã đặt mục tiêu đến năm 2020, có 10% nhiên liệu xe cộ sẽ chuyển sang nhiên liệu sinh học, trong nỗ lực giảm 20% khí thải CO₂ gây hiệu ứng nhà kính. Theo Bloomberg, việc phát triển ngành nhiên liệu sinh học từ rác thải nông nghiệp có thể thúc đẩy tăng trưởng kinh tế và đổi mới của Châu Âu, đem lại nguồn thu 31 tỷ euro mỗi năm vào năm 2020.

Ngay tại Lào cũng đang xây dựng nhà máy sản xuất diesel sinh học ở ngoại ô thủ đô Viên Chăn. Một số nước châu Phi như Gana, Tanjania… cũng đang tiếp cận đến nhiên liệu sinh học. [34].

- 1. 1.3.2. Nghiên cứu sử dụng xăng sinh học ở Việt Nam

Tiềm năng dầu khí của nước ta không phải là lớn, từ chỗ xuất khẩu năng lượng (dầu, than) trong vòng 15 năm tới sẽ phải nhập năng lượng (dự báo tỷ lệ nhập khẩu khoảng 11-20% vào năm 2020, tăng lên 50-58% vào năm 2050). Xăng dầu dùng cho giao thông vận tải thường chiếm đến 30% nhu cầu của cả nước (hiện tại phải nhập hoàn toàn).

Khi nhà máy lọc dầu đầu tiên ở Dung Quất được đưa vào hoạt động (năm 2008) cũng mới chỉ cung cấp được khoảng 5,3 triệu tấn xăng, diesel dùng cho giao thông vận tải trong tổng nhu cầu 15,5 – 16 triệu tấn (34%).

Đến trước năm 2020, khi cả 3 nhà máy lọc dầu với tổng công suất 20 – 22 triệu tấn dầu thô được đưa vào hoạt động sẽ cung cấp 15-16 triệu tấn xăng, diesel trong tổng nhu cầu khoảng 27 – 28 triệu tấn (56%).

Tháng 6.2004, Công ty Phát triển Phụ gia và Sản phẩm Dầu mỏ (APP) đã dự thảo “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học ở Việt Nam” (xăng, diesel pha cồn ethanol và diesel sinh học) gửi Chính phủ và một số bộ, ngành. Dự án đề nghị thực hiện trong 2 giai đoạn: giai đoạn I (2006-2010) hoàn thiện công nghệ pha chế thử nghiệm và xây dựng mô hình đầu tư thấp kết hợp sản xuất cồn khan với pha chế sử dụng sản phẩm quy mô 100.000 m³ xăng pha cồn/năm thay thế một phần xăng (thực hiện ở các đô thị lớn như thành phố Hồ Chí Minh, Hà Nội…), xây dựng chính sách để phát triển vùng nguyên liệu sản xuất cồn sử dụng làm nhiên liệu; giai đoạn II (2010-2020) với mục tiêu pha chế khoảng 2 triệu m³ nhiên liệu thay thế đáp ứng khoảng 15% lượng xăng dầu thiếu hụt, xây dựng quy hoạch để phát triển lớn hơn cho các năm tiếp theo. Nhận thức được tiềm năng thị trường Việt Nam, một số doanh nghiệp trong nước đã tiến hành đầu tư xây dựng các nhà máy ethanol tại các địa phương có nhiều nguyên liệu. Một số công ty nước ngoài đến từ Anh, Hàn Quốc, Nhật Bản và Trung Quốc cũng đang đẩy mạnh việc tìm kiếm đối tác đầu tư trong nước.

Hình 1.3. Nhà máy sản xuất Ethanol của tập đoàn Dầu khí quốc gia

Việt Nam

Các doanh nghiệp tư nhân Việt Nam xây dựng nhà máy sản xuất ethanol thường là các nhà kinh doanh sắn lát khô hoặc sản xuất tinh bột sắn có mối quan hệ với địa phương và có kinh nghiệm trong việc thu mua nguyên liệu. Đa số các doanh nghiệp này sử dụng công nghệ sản xuất ethanol từ Trung Quốc với chi phí đầu tư thấp, đặc biệt là chi phí đầu tư cho hệ thống xử lý chất thải. Tuy nhiên cho tới thời điểm hiện nay chưa có doanh nghiệp nào xây dựng và vận hành thành công nhà máy sản xuất ethanol nhiên liệu.

Nắm bắt nhu cầu thị trường, Công ty cổ phần đường Biên Hòa chủ trương mở rộng thêm hướng kinh doanh mới sản xuất và xuất khẩu ethanol với công ty Fair – Energy Asia Ltd. (FE) thuộc tập đoàn Perfonnance (Thụy Sĩ) sẽ xây dựng một nhà máy sản xuất ethanol với công suất 50.000 tấn/năm tại Tây Ninh. Nhà máy sản xuất ethanol liên doanh giữa Petrosetco và Itochu (Nhật Bản) với công suất 100 triệu lít/năm đang có kế hoạch xây dựng tại khu công nghiệp Hiệp Phước thành phố Hồ Chí Minh. Ngoài ra, tại Quảng Nam, công ty Đồng Xanh liên doanh với công ty An Huy (Trung Quốc) đang xây dựng nhà máy sản xuất ethanol có công suất khá lớn 60.000 lít/ngày. Công ty Cổ phần cồn sinh học Việt Nam đã đầu tư xây dựng nhà máy sản xuất cồn công nghiệp với công suất 66.000 m3/năm tại Đắc- Lắc. Gần đây nhất là Ngân hàng BIDV đầu tư xây dựng nhà máy sản xuất cồn Đại- Tân có công suất 100.000 tấn/năm tại Đại Lộc, Quảng Nam…

Nhận thấy tầm quan trọng của việc phát triển nguồn nhiên liệu sinh học
ngày 20/11/2007 Chính phủ đã phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” với mục tiêu chủ yếu phát triển nhiên liệu sinh học, một dạng năng lượng mới, tái tạo được để thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch truyền thống, góp phần bảo đảm an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường.

- 1. 1.3.3. Một số kết luận và hướng phát triển của các đề tài phối trộn butanol với xăng RON92 và RON95 đã nghiên cứu

a. Kết luận

Butanol có thể trộn được với xăng hoặc dầu ở bất kỳ tỷ lệ nào và chỉ số octan và mật độ năng lượng của Butanol gần với xăng. Vì vậy, nó có thể làm giảm lượng xăng trong nhiên liệu tức là giảm áp lực lên nhiên liệu hóa thạch.

Động cơ hoạt động ổn định với nhiên liệu Bu-10 ở tất cả các chế độ làm việc, tính năng kinh tế kỹ thuật tốt hơn khi sử dụng xăng ở số vòng quay từ 1500 vòng/phút đến 3500 vòng/phút ở các chế độ tải vừa và trung bình.

Khi dùng Bu-10, thành phần các chất ô nhiễm như là CO và HC đều giảm, NO_xcó phần tăng đôi ít so với khi dùng xăng điều này là do sự có mặt của Butanol sẽ làm tăng hàm lượng oxy trong môi chất công tác. Với lượng gia tăng NO_x này cần có những biện pháp để hạn chế bằng cách cho hồi lưu khí xả hoặc sử dụng bộ lọc trên đường thải.[tien]

Xăng thông dụng A95 (xăng của NMLD Dung Quất) pha 10,5% n-butanol hoàn toàn đáp ứng các chỉ tiêu kỹ thuật của nhiên liệu sử dụng cho ô tô theo tiêu chuẩn TCVN 6776:2005.

Các thông số kinh tế kỹ thuật như công suất động cơ, tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng xăng pha n-butanol là tương đương so với xăng thông dụng. Ngoài ra, sử dụng xăng pha n-butanol trên ô tô có ưu điểm là tăng công suất kéo có ích, tăng áp suất nén xy-lanh, giảm lọt khí xuống cac-ter, mức giảm độ nhớt trong dầu bôi trơn thấp hơn so với xăng thông dụng.

Xăng pha n-butanol hoạt động bình thường đối với các loại xe ô tô được sản xuất từ năm 1993 (cả động cơ có kiểu cấp nhiên liệu chế hòa khí và phun xăng điện tử).

Xăng pha n-butanol ít háo nước, không xảy ra hiện tượng tách lớp trong thời gian dài 90 ngày tồn trữ bảo quản bằng bể chứa ngầm. Hàm lượng oxy của xăng pha n-butanol tăng vượt > 2,7%kl sau 60 ngày tồn trữ, do sự chênh lệch về tỷ trọng của n-butanol với xăng thông dụng. Do đó, giải pháp khả dụng được đề xuất để khắc phục hiện tượng này là phải bổ sung phụ gia phân tán cho xăng pha n-butanol để tăng độ đồng nhất và ổn định cho nhiên liệu.

Sử dụng xăng pha n-butanol góp phần giảm đáng kể lượng khí thải độc hại ra môi trường, đặc biệt khi điều khiển xe chạy trên đường trường hay đường cao tốc với tốc độ ổn định thì thành phần các khí phát thải gây ô nhiễm (CO, CO₂, NOx, HC) đều giảm mạnh.

b. Hướng phát triển của các đề tài đã ngiên cứu:

Cần thử nghiệm với nhiều tỷ lệ Butanol khác nhau nhằm tím ra tỷ lệ Butanol tối ưu;

Cần đánh giá ảnh hưởng của Butanol đến ăn mòn động cơ và tuổi thọ của các chi tiết trong động cơ và cần thiết phải nghiên cứu thực nghiệm trên xe ô tô khi chạy trên đường với thời gian vận hành đủ lớn;

Cần nghiên cứu đánh giá chất lượng quá trình cháy của hỗn hợp xăng RON92 – Butanol theo các tỉ lệ phối trộn khác nhau.[Tien]

Cần nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh đánh lửa sớm điện tử điều khiển bằng máy tính.[Phê]

Cần nghiên cứu tổng thể với nhiều tỷ lệ phối trộn đồng thời với góc đánh lửa tốt nhất cho mỗi tỷ lệ phối trộn, qua đó cho phép đánh giá tốt hơn ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn cũng như góc đánh lửa tối ưu cho nhiên liệu sinh học (Butanol và RON95)[Phê]

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Từ những yếu tố đã trình bày ở trên, đề tài “ Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn hỗn hợp Butanol – Xăng RON92 đến tính năng kinh tế kỹ thuật trên động cơ xăng truyền thống” của tác giả có ý nghĩa và mang tính thực tế cao, nó không những góp phần làm đa dạng hóa nguồn nhiên liệu cho động cơ nhiệt trong khi nguồn nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt mà còn góp phần nâng cao hiệu suất, tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường trong tình hình mới.

Nghiên cứu và ứng dụng phát triển các nguồn nhiên liệu mới là hướng đi chung của nhân loại hiện nay. Trong lĩnh vực giao thông vận tải, nhiên liệu sinh học được đánh giá là một giải pháp ưu việt trong một tương lai gần khi mà nguồn liên liệu hóa thạch đang ngày một cạn kiệt và khủng khoảng nhiên liệu đang ngày một gia tăng gây ảnh hưởng lớn đến sự phát triển kinh tế, môi trường sống.

CHƯƠNG 2

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Để nghiên cứu tính năng kinh tế – kỹ thuật đến động cơ ôtô sử dụng nhiên liệu xăng pha Butanol, nhất thiết chúng ta phải xét đến quá trình cháy và tính chất lý hóa của Butanol trên cơ sở lý thuyết và thực nghiệm từ đó có cơ sở phân tích, đánh giá một cách khoa học về tính năng kinh tế và kỹ thuật cũng như mức độ phát thải ô nhiễm môi trường của hỗn hợp nhiên liệu xăng RON92 phối trộn từ (5 – 20)% butanol so với nhiên liệu xăng RON92 nguyên mẫu.

2.1. QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC

Trong động cơ cháy cưỡng bức, quá trình cháy được bắt đầu từ nguồn lửa xuất hiện ở cực bugi trong môi trường hòa khí đều được hòa trộn trước, sau đó xuất hiện màng lửa lan truyền theo mọi hướng tới khắp không gian buồng cháy. Trong quá trình cháy, hóa năng của nhiên liệu được chuyển thành nhiệt năng làm tăng áp suất và nhiệt độ môi chất. Nếu nhiên liệu được cháy càng kịp thời thì năng lượng nhiệt nhả ra được chuyển thành công càng tốt làm tăng công suất và hiệu suất động cơ.

- 1. 2.1.1. Diễn biến của quá trình cháy trong động cơ cháy cưỡng bức

Diễn biến bình thường của quá trình cháy động cơ cháy cưỡng bức đều bắt đầu từ cực bugi, tạo nên màng lửa rồi lan truyền với tốc độ tăng dần theo mọi hướng tới khi đốt hết hòa khí.

Dựa vào đặc trưng biến thiên áp suất trên đồ thị p-ϕ, người ta chia quá trình cháy của động cơ cháy cưỡng bức thành ba thời kì.

100

φ⁰

p (10⁵ Pa)

III

I- cháy trễ; II- cháy chính(cháy nhanh); III- cháy rớt; 1- đánh lửa;

2- hình thành màng lửa trung tâm; 3- áp suất cực đại p_z

Hình 2.1. Quá trình cháy của động cơ cháy cưỡng bức

a. Thời kì cháy trễ I (từ điểm 1 đến điểm 2, hình 2..2) tính từ lúc đánh lửa đến khi áp suất p tăng đột ngột. Trong thời kì này áp suất trong xi lanh thay đổi tương tự như trường hợp không đánh lửa; thời kì này được tính từ lúc bắt đầu đánh lửa, qua một thời gian ngắn đến lúc xuất hiện nguồn lửa được gọi là màng lửa trung tâm. Thời điểm xuất hiện màng lửa trung tâm không nhất thiết phải trùng với thời điểm tăng đột ngột của áp suất p. Thông thường màng lửa trung tâm xuất hiện trước một chút so với thời điểm tăng đột ngột của p. Nhưng nhiều khi để đơn giản người ta không cần phân biệt rõ rệt hai thời điểm này.

Phân tích thời kì cháy trễ thấy rằng, sau khi bugi đã bật tia lửa điện, hòa khí trong xi lanh không cháy ngay mà phải thực hiện một loạt phản ứng sơ bộ tạo nên sản vật trung gian v.v… Trong thời kì này nhiệt lượng nhả ra của các phản ứng rất nhỏ, vì vậy không thấy rõ sự khác biệt của nhiệt độ và áp suất so với trường hợp không đánh lửa. Thời kì cháy trễ dài hay ngắn phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tính chất, trạng thái (áp suất, nhiệt độ) của hòa khí trước khi đánh lửa, năng lượng của tia lửa điện v.v…

b.Thời kì cháy nhanh II được tính từ điểm 2 đến điểm 3, hình 2.2 (điểm có áp suất cực đại). Thời kì này cũng tương ứng với thời kì lan truyền của màng lửa tính từ lúc xuất hiện màng lửa trung tâm tới khi màng lửa lan truyền khắp buồng cháy. Màng lửa của động cơ cháy cưỡng bức hầu hết là màng lửa chảy rối. Trong quá trình lan truyền, màng lửa có dạng mặt cầu nhấp nhô lồi lõm. Trong thời kì này màng lửa được lan truyền với tốc độ tăng dần, hòa khí trong xi lanh có phản ứng ôxy hóa ngày một mãnh liệt và nhả ra một số nhiệt lượng lớn, trong khi dung tích xi lanh thay đổi ít làm cho áp suất và nhiệt độ môi chất tăng nhanh.

Thời kì cháy nhanh là giai đoạn chính trong quá trình cháy hòa khí của động cơ cháy cưỡng bức, phần lớn nhiệt lượng được nhả ra trong giai đoạn này; quy luật nhả nhiệt sẽ quyết định việc tăng áp suất, tức là quyết định khả năng đẩy pittông sinh công, vì vậy thời kì này có ảnh hưởng quyết định tới tính năng của động cơ.

Nhìn từ khía cạnh nâng cao hiệu suất nhiệt của chu trình, thì cần thời gian cháy càng nhanh càng tốt. Muốn rút ngắn thời gian cháy phải nâng cao tốc độ cháy, làm cho áp suất cực đại và nhiệt độ cực đại xuất hiện tại vị trí gần sát ĐCT, khiến số nhiệt lượng nhả ra được lợi dụng đầy đủ, làm tăng công suất và hiệu suất động cơ.

Tốc độ lan truyền và diện tích màng lửa càng lớn sẽ làm cho tốc độ cháy, tốc độ nhả nhiệt, áp suất và nhiệt độ môi chất trong xi lanh trong thời kì cháy nhanh tăng lên càng nhiều làm cho công suất và hiệu suất động cơ đều được cải thiện tốt hơn. Tuy vậy tốc độ cháy không thể lớn quá nếu không sẽ làm tăng nhanh tốc độ tăng áp suất, gây va đập cơ khí, tăng tiếng ồn làm cho hoạt động của động cơ trở nên thô bạo, gây nên mài mòn chi tiết và giảm tuổi thọ sử dụng động cơ.

c. Thời kì cháy rớt III được tính từ điểm 3 (điểm áp suất cực đại) trở đi. Mặc dù cuối thời kì II màng lửa đã lan khắp buồng cháy, nhưng do hòa khí phân bố không thật đều, điều kiện áp suất và nhiệt độ ở mọi khu vực trong buồng cháy không hoàn toàn giống nhau, nên có những khu vực nhiên liệu chưa cháy hết. Trong quá trình giãn nở, do điều kiện hòa trộn thay đổi sẽ làm cho số nhiên liệu chưa cháy được hòa trộn và bốc cháy tiếp tạo nên thời kì cháy rớt. Trong thời kì này, nhiệt lượng nhả ra tương đối ít, dung tích động cơ lại tăng nhanh nên áp suất trong xi lanh sẽ giảm dần theo góc quay trục khuỷu. Thời kì cháy rớt dài hay ngắn là tùy thuộc vào số lượng hòa khí cháy rớt, nhìn chung đều mong muốn rút ngắn thời kì cháy rớt. Nhưng cũng có trường hợp cháy rớt còn kéo dài sang cả quá trình thải, thậm chí đến khi bắt đầu quá trình nạp của chu trình kế tiếp, khí thải đang cháy còn chui vào đường nạp đốt cháy hòa khí tại đây, đó là hiện tượng nổ trên đường nạp.

- 1. 2.1.2. Cơ sở lý thuyết xây dựng đường đặc tính động cơ

Động cơ đánh lửa cưỡng bức hoạt động thể hiện các đường đặc tính khác nhau trong các điều kiện cụ thể nhằm đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ như công suất có ích N_e, moment có ích M_e, áp suất có ích trung bình P_e, suất tiêu hao nhiên liệu g_e và lưu lượng nhiên liệu G_nl. Công suất có ích là yếu tố chính thể hiện công dẫn động của các cơ cấu chấp hành của động cơ trong một đơn vị thời gian. Đây là một trong những thông số quan trọng đánh giá tính năng làm việc của động cơ. Các thông số kỹ thuật của động cơ gồm [7]:

– Công suất có ích của động cơ:

(2.1)

– Moment xoắn có ích:

(2.2)

– Áp suất có ích trung bình:

(2.3)

– Suất tiêu hao nhiên liệu:

(2.4)

– Lưu lượng nhiên liệu:

(2.5)

- 1. 2.1.3. Đặc tính tốc độ của động cơ thực nghiệm

a. Quan hệ giữa hệ số nạp và tốc độ động cơ

Đường đặc tính của động cơ đốt trong có nhiều loại khác nhau. Trong đề tài này, chúng ta chỉ khảo sát đặc tính bộ phận. Khi bướm ga mở nhỏ hơn 100% được gọi là đặc tính bộ phận [11].

Số lượng môi chất mới nạp vào xylanh phụ thuộc vào hệ số nạp η_v và khối lượng riêng của không khí ρ_k.

– Hệ số nạp η_v và độ chân không ∆p_g sau bướm ga là hàm tuyến tính:

với a và b là hệ số thực nghiệm.

Nếu thay đổi tiết diện lưu thông tương đối = và tốc độ tương đối = thì hệ số nạp của động cơ như sau:

η_v = ; với B =

(2.6)

Khi độ chân không sau bướm ga giảm xuống dưới giá trị tới hạn, sẽ làm cho

ψ = ψ_max= const. [7]

Lúc ấy, hệ số nạp η_v =

Trường hợp không thay đổi thì η_v = với

b. Đặc tính tốc độ của động cơ thực nghiệm

Đặc tính tốc độ ngoài của động cơ là các hàm số biểu diễn sự biến thiên công suất, moment xoắn có ích, suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ theo số vòng quay trục khuỷu khi bướm ga mở hoàn toàn [11].

Theo công thức Layderman:

(2.7)

Trong đó:

N_e : công suất của động cơ;

N_emax: công suất cực đại của động cơ;

n_e: số vòng quay của trục khuỷu;

n_N: số vòng quay của trục khuỷu ứng với công suất cực đại;

a, b, c : các hệ số thực nghiệm.

Công thức Layderman là công thức gần đúng, cần hiệu chỉnh lại các hệ số a, b, c trong công thức (2.7) phù hợp các thông số động lực học và kết cấu của động cơ thực nghiệm sau đây:

Điều kiện 1: Đường đặc tính công suất đi qua điểm (n_N,N_emax) nếu:

a + b – c = 1

Điều kiện 2: Đường đặc tính moment đi qua điểm (n_M, M_emax) nếu:

(2.8)

Trong đó:

K_M: hệ số thích ứng theo moment;

K_n= : hệ số thích ứng theo số vòng quay;

n_M: tốc độ động cơ ứng với moment cực đại;

n_N: tốc độ động cơ ứng với công suất cực đại.

Điều kiện 3: Đạo hàm = 0.

Ta có: M_e =

Biến đổi công thức Layderman thành dạng:

Suy ra:

= 0

Và:

b – = 0

(2.9)

Giải hệ ba phương trình:

b =

c = K_n.

Với các thông số của động cơ thực nghiệm đã cho, ta tính được:

K_n = =

Chọn K_M = 1,175 ta có được các hệ số : a, b, c

Đặt:

K = N_e = K.N_emax	(2.10)
	(2.11)

Các thông số vận hành của động cơ khi sử dụng xăng và xăng pha 10%V Butanol được tính theo các công thức sau:

N_e = N_emax. ;

;

Hiệu suất có ích của động cơ được tính theo công thức sau:

;

Lưu lượng nhiên liệu hỗn hợp xăng – Butanol di chuyển vào đường nạp:

c. Đặc tính tải của động cơ thực nghiệm

Quan hệ giữa các thông số của động cơ phụ thuộc vào một trong những thông số đặc trưng cho phụ tải động cơ g_e, G_nl=f(P_e) (hoặc M_e,N_e) khi số vòng quay không thay đổi gọi là đặc tính tải. Ở n cố định khi tăng phụ tải phải cung cấp thêm hỗn hợp bướm ga mở dần, hệ số nạp η_v tăng dần.

Hệ số dư lượng không khí α tăng dần như đặc tính lí tưởng của carbuarater, nếu có hệ thống làm đậm thì 80% N_e trở đi α giảm xuống.

η_i: càng đóng bướm ga môi chất mới ít khí sót nhiều làm tốc độ cháy chậm, do đó η_i tăng dần. Khi có hệ thống làm đậm η_i giảm xuống như α do có nhiều nhiên liệu chưa cháy.

P_m hầu như không thay đổi theo phụ tải nên η_m chỉ thay đổi theo và η_v. Do đặc điểm thay đổi của η_i và α gần giống nhau nên tỉ số thay đổ rất ít theo tải. Vì vậy η_m phụ thuộc chủ yếu α và η_v và tăng dần khi tăng tải. Tăng dần tải η_i và η_m tăng dần nên g_e giảm dần, bình thường đạt cực tiểu ở N_eđm, nhưng khi có làm đậm hỗn hợp g_e cực tiểu ở khoảng 0,8 N_eđm sau đó tăng một chút.

n_min

M_emax

(Pe)

G_nl

g_e

Me(Pe)

Ne_max

G_nl

g_e

g_emin

n_max

n_N

n_gemin

n_M

η_V

η_m

η_i

η_v

η_m

η_i

n_min

n_max

Hình 2.2. Đặc tính tải của động cơ xăng

G_nl tỉ lệ với , η_v tăng nhanh hơn α nên G_nl tăng dần khi tăng tải, gần toàn tải α giảm do làm đậm làm G_nl tăng nhanh hơn. riêng khu vực tải nhỏ G_nl tăng chậm là do α lúc đó tăng nhanh.

2.2. ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ CHỈ TIÊU CỦA XĂNG ETHANOL VÀ BUTANOL

- 1. 2.2.1. Về chỉ số Octane

Chỉ số octane của n-Butanol tương tự như của xăng nhưng thấp hơn Ethanol và mEthanol. Butanol được sử dụng như là một phụ gia trong xăng, nó cũng có hiệu quả làm tăng RON cho xăng, xăng gốc có RON càng thấp thì hiệu quả tăng RON càng cao.

Một nhiên liệu có chỉ số octan cao sẽ ít bị kích nổ (đặc biệt là khi quá trình cháy diễn ra nhanh và tự diễn biến bởi kỳ nén). Nếu động cơ sử dụng Ethanol (RON=106-130) thì ta có thể tăng chỉ số nén của động cơ. Nhờ vậy tăng đáng kể hiệu suất nhiệt của động cơ. Điều này sẽ dẫn tới cải thiện công suất động cơ, dẫn đến tiết kiệm nhiên liệu tốt hơn so với việc sử dụng các nhiên liệu khác cùng điều kiện. Bằng việc tăng tỷ số nén, ta sẽ tiết kiệm được công suất nhiên liệu (người ta tính rằng cứ tăng tỉ số nén lên một đơn vị thì phải tăng tương ứng chỉ số RON cùa nhiên liệu lên 5 đơn vị). Hiện nay các động cơ “nhiên liệu linh hoạt”FFV (Fuel Flexible Vehicle) sử dụng E85 có tỉ số nén từ 12 đến 12,5. Trong khi đó RON của Butanolthấp hơn Ethanol, nên hiệu quả làm tăng RON sẽ thấp hơn Ethanol.

Trong các đồng phân của n-Butanolthì RON của tert-Butanollà cao nhất (RON=105).Trong thời gian qua người ta cũng sử dụng t- Butanol(TBA) để pha xăng dưới dạng như phụ gia. Arconol là một dạng Butanolthương mại dùng để pha xăng, là hỗn hợp của TBA (91 – 94 %) và các butane. Khi pha trộn với tỷ lệ 5 % thì RON của xăng pha trộn tăng khoảng 6 – 9 đơn vị. Xăng gốc có RON càng cao thì hiệu quả tăng RON càng giảm.

- 1. 2.2.2. Về hàm lượng oxi

Do chỉ có 21.6% oxy trong phân tử Butanol so với 35.1% oxy trong Ethanol nên nhiệt trị khối lượng của Butanol(36MJ/kg) lớn hơn Ethanol(26,8MJ/kg) và nhỏ hơn xăng (43,9MJ/kg), nhưng do khối lượng riêng của Butanollớn hơn xăng nên sự khác nhau về nhiệt trị thể tích ít hơn.

Mặt khác, sự có mặt oxy trong phân tử Butanolcũng như Ethanol làm giảm sự phát thải những khí độc hại từ ống thài của động cơ do quá trình cháy được triệt để hơn ở động cơ dùng 2 loại nhiên liệu trên. Nhờ vậy lượng thải khí CO giảm đáng kể. Ngoài ra với % oxy trong phân tử của Butanolthấp hơn so với Ethanol sẽ cho phép ta pha Butanolvới xăng ở tỷ lệ cao hơn so với khi pha với Ethanol mà không cần thiết phải thay đổi tỷ lệ không khí/nhiên liệu trong động cơ. Nếu Ethanol có thế sử dụng với tỷ lệ 5 – 10% mà không thay đổi động cơ thì có thể suy ra Butanolcó thể sử dụng từ 8-32%.

- 1. 2.2.3. Độ bay hơi và nhiệt hóa hơi

Một trong những tính chất của Butanollà áp suất hơi bão hòa thấp (0.33 psi), so với Ethanol là 2 psi và xăng là 4.5 psi, điều đó có nghĩa là Butanolcó tốc độ bay hơi thấp hơn.Ethanol tuy có áp suất hơi bão hòa nhỏ hơn xăng nhưng Ethanol dễ tác dụng với các hydrocacbon nhẹ dẫn đến hiện tượng azeotrop (đồng sôi, đẳng phí). Điểm đồng sôi của hai cấu tử bao giờ cũng thấp hơn điểm bắt đầu sôi của từng cấu tử. Ví dụ: điểm đồng sôi của n-pentan là 34^oC thấp hơn điểm sôi của Ethanol là 78,4^oC và của n-pentan là 36^oC. Do vậy nếu pha cồn vào xăng có nhiều thành phần nhẹ thì hao hụt do bay hơi tăng. Hiện tượng đẳng phí cũng dẫn đến làm tăng áp suất hơi bão hòa.

Bảng 2.1. Điểm đẳng phí của Ethanol với một số hydrocacbon

Hydrocacbon	Nhiệt độ sôi, ⁰C	Điểm đồng sôi đẳng phí với Ethanol, ⁰C
n-pentan	36	34
n-hexan	69	59
Benzene	80	68
Cyclohexan	81	65
Toluene	111	77
n-octan	126	77

Vì vậy so với Ethanol, Butanolkhông tạo nên hỗn hợp đẳng phí với các cấu tử trong xăng. Khi pha Butanol vào xăng sẽ làm áp suất Reid giảm, nên ta có thể pha Butanol vào xăng có nhiều thành phần nhẹ. Và xăng pha Butanol sẽ có độ bay hơi nhỏ hơn vì vậy hạn chế được hao hụt do bay hơi. Tuy nhiên nếu áp suất của xăng quá nhỏ cũng sẽ ảnh hưởng đến khả năng khởi động lạnh của động cơ.

Đối với Butanol: vì nhiệt hóa hơi của Butanol (0.43 MJ/kg) thấp hơn một nửa so với Ethanol (0.92 MJ/kg), một động cơ chạy Butanol sẽ khởi động tốt hơn vào mùa lạnh so với Ethanol hoặc mEthanol.

- 1. 2.2.4. Thành phần nước

Ethanol và nước có thể hòa tan vào nhau bất kỳ tỉ lệ nào, còn Ethanol với hydrocacbon thì không như vậy. Khi % nước trong Ethanol tăng thì càng làm Ethanol khó hòa tan vào xăng và xuất hiện sự phân tầng trong hỗn hợp. Lớp trên là các hydrocacbon, lớp dưới là dung dịch Ethanol và nước. Sự phân tầng phụ thuộc vào % Ethanol pha vào xăng. Nếu tỉ lệ của chất này so với chất kia trong hỗn hợp vượt quá giới hạn nào đó thì sẽ xuất hiện phân tầng. Do vậy, đối với Ethanol khan (99,6% Ethanol, 0,4% nước) thì ta có hỗn hợp không phân tầng từ E60 đến E95. Và hỗn hợp E5,E7,E10,E20,E30 cũng không bị phân tầng.

Butanolkhông tan trong nước vô hạn như Ethanol, độ tan của Butanolđo được ở 20^oC là 7.7 g/100 ml. Do mạch cacbon của Butanoldài hơn Ethanol nên rõ ràng sẽ làm tăng tính kị nước và gần với các hydrocacbon hơn. Do vậy việc phân tầng của Butanoltrong xăng sẽ kém hơn Ethanol.

Tính kị nước của Butanolcao hơn Ethanol nên vấn đề tồn trữ của xăng pha Butanol cũng không phức tạp như Ethanol. Khả năng hút ẩm của Ethanol rất cao, nên trong quá trình tồn trữ, nó sẽ hút ẩm và gây ra hiện tượng phân tầng nếu độ ẩm quá cao. Butanol sẽ khắc phục được nhược điểm này của Ethanol.

Hàm lượng nước trong xăng cao, ngoài việc gây ra sự phân tầng, làm cho hiệu quả hòa tan của phụ gia vào xăng giảm còn có những tác hại khác. Những năm gần đây việc dùng cồn hydrat pha vào xăng đòi hỏi dùng động cơ thích hợp với vật liệu làm các chi tiết động cơ vì sự có mặt của nước làm han gỉ các chi tiết như bình chứa nhiên liệu, bộ chế hòa khí và làm tăng mạnh sự ăn mòn điện hóa.

- 1. 2.2.5. Nhiệt trị và năng lượng riêng

Nhiệt trị thể tích của Butanollà 29.2 MJ/L, cao hơn hẳn so với Ethanol là 19.6 MJ/L, còn đối với xăng là 32MJ/L. Thì ta có thể thấy rõ đây là một ưu điểm nổi bật của Butanolnếu so với Ethanol. Tuy nhiên nhiệt trị thể tích của Butanolvẫn thấp hơn so với xăng.Điều này ta cần chú ý về so sánh giá nhiên liệu. Khi so sánh về chi phí nhiên liệu ta nên so sánh giá tính trên một đơn vị năng lượng của nhiên liệu. Nếu Butanolđược sản xuất trên quy mô công nghiệp thì giá sẽ thấp và theo BP và DuPont thì giá có thể cạnh tranh hoặc thấp hơn Ethanol thì chi phí trên một đơn vị năng lượng của Butanolchắc chắn sẽ rẻ hơn.Nhiên liệu Butanolhay Ethanol có ít năng lượng tính theo một đơn vị khối lượng hay một đơn vị thể tích so với xăng.Để dễ so sánh năng lượng tinh thoát ra trên một chu trình hoạt động của động cơ, ta dùng một đại lượng gọi là năng lượng riêng (Specific energy) của nhiên liệu.Nó được định nghĩa là năng lượng tính trên một tỷ lệ không khí nhiên liệu [10].

Sự có mặt oxy trong phân tử Butanol cũng như Ethanol dẫn đến giảm lượng không khí lý thuyết cần thiết để cung cấp cho một đơn vị nhiên liệu. Lượng không khí lý thuyết cấn thiết để cung cấp cho 1 kg Ethanol là bằng 9, đối với Butanollà 11.1, còn đối với xăng là bằng 14,6. Điều này dẫn đến là tuy nhiệt trị của Butanol,Ethanol nhỏ hơn xăng nhưng năng lượng riêng tính trên 1 kg không khí của Butanol(3.2 MJ/kg air) lớn hơn hẳn so với xăng (3.0 MJ/kg air) và Ethanol (2.9 MJ/kg air). Ở đây ta nhận thấy như Ethanol kém hơn của xăng khoảng 5%. Do vậy nếu giả định các thông số vận hành là không đổi thí khi chuyển động cơ từ dùng xăng sang dùng Ethanol thì công suất động cơ chỉ giảm dưới 5%. Tương tự đối với Butanol thì năng lượng riêng của Butanolcao hơn Ethanol và cao hơn 10% so với xăng nên công suất của động cơ dùng nhiên liệu Butanolsẽ cao hơn cũng khoảng 10% so với dùng xăng.

Bảng 2.2. So sánh nhiệt trị Butanol so với các loại khác

Loại nhiên liệu	Nhiệt trị thể tích MJ/L	Tỷ lệ không khí/NL	Năng lượng riêng MJ/kg air	Nhiệt trị khối lượng MJ/kg	RON	MON
Gasoline	32	14,6	2,9	0,36	91–99	81–89
Butanol	29.2	11,1	3,2	0,43	94-96	78
Ethanol	19,6	9,0	3,.0	0,92	106-130	89-103
Methanol	16	6.4	3.1	1.2	106	92

- 2. 2.2.6. Các vấn đề khác

– Độ nhớt của Butanol cao hơn hẳn Ethanol và xăng nên sẽ ảnh hưởng đến hệ thống bơm và vận chuyển.

Bảng 2.3. Độ nhớt động học của một số loại nhiên liệu

Chất	Đơn vị	Độ nhớt động học (20⁰C)
Butanol	cSt	3,64
Ethanol	cSt	1,52
Methanol	cSt	0,64
Gasoline	cSt	0,4–0.8
Diesel	cSt	>3
Water	cSt	1,0

– Butanol ít gây ăn mòn hơn Ethanol.

– Butanol hay Ethanol không làm bẩn vòi phun.

– So với xăng pha Ethanol thì xăng pha Butanolsẽ có lợi nhiều hơn về quãng đường đi/1 lít nhiên liệu

– Xăng pha Butanol không hay tạo nút hơi trên đường dẫn nhiên liệu.

– Các nghiên cứu ở Mỹ cho biết dùng Ethanol giảm được phát thải CO, NO_x, giảm aromatic hydrocacbon, benzen và toluen. Thì Butanolcũng sẽ làm giảm những khí thải độc hại trên như Ethanol.

– Các nghiên cứu ở Mỹ (Argone National Laboratory) cho biết dùng E10 giảm được 12% đến 15% khí nhà kính. Nếu Butanolđược đưa vào sản xuất bằng phương pháp lên men từ các sản phẩm nông nghiệp thì cũng sẽ góp phần làm giảm khí nhà kính.

– Về giá Butanolcó thể cạnh tranh được với Ethanol: Theo BP và DuPont khi đưa vào sản xuất trên quy mô công nghiệp, giá của Butanol hoàn toàn có thể cạnh tranh được với Ethanol.

Theo báo cáo của BP và Dupont, Butanolcó thể phối trộn ở nồng độ cao với xăng hơn hẳn những nhiên liệu khác đã sử dụng mà không cần thay đổi chỉnh sửa kết cấu động cơ. Butanol được xem là cấu tử gần với xăng nhất trong mục đích phối trộn và nó đã được kiểm chứng tại Viện Bảo Vệ Môi Trường của Hoa Kỳ cho thấy đã phối trộn lên tới 11%.

Từ tất cả ưu điểm vượt trội nói trên ta có thể tiến hành nghiên cứu pha Butanol vào trong xăng, xem lượng Butanol có thể pha lớn nhất vào trong xăng được bao nhiêu mà vẫn đảm bảo các chỉ tiêu không bị ảnh hưởng, xem động cơ xăng chạy loại nhiên liệu này có vấn đề gì không …

Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015 tầm nhìn đến năm 2025

LIỆN HỆ:

SĐT+ZALO: 0935568275

F:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\LUAN VAN 2015\LUAN VAN (Ngo Van Dung)

Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015 tầm nhìn đến năm 2025

c. Đặc tính tải của động cơ thực nghiệm

About admin

Trả lời Hủy

c. Đặc tính tải của động cơ thực nghiệm

Related Posts

About admin

Trả lời Hủy