Kết quả thử nghiệm đối chứng thành phần phát thải NOXtrên xe máy Wave RSX khi sử dụng nhiên liệu E15 và xăng Trang 12 Lời nói đầu Ngày nay, nhu cầu sử dụng nhiên liệu và sản phẩm đầu m
Giới thiệu chung về nhiên liệu sinh học
Khái niệm về nhiên liệu sinh học
Nhiên liệu sinh học là loại nhiên liệu được sản xuất từ sinh khối, bao gồm các hợp chất có nguồn gốc từ động thực vật như mỡ động vật, dầu dừa, ngũ cốc và chất thải nông nghiệp Các dạng nhiên liệu sinh học phổ biến hiện nay bao gồm bioethanol, biodiesel, biogas, và các loại nhiên liệu pha trộn Trong lĩnh vực giao thông vận tải, ethanol sinh học, biodiesel và xăng pha ethanol được sử dụng rộng rãi Nhiên liệu sinh học mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với nhiên liệu truyền thống như dầu khí và than đá.
Ưu nhợc điểm của nhiên liệu sinh học
Khi kinh tế toàn cầu phát triển, nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng, chủ yếu từ dầu mỏ, trong khi nguồn dự trữ dầu mỏ có hạn Điều này dẫn đến giá nhiên liệu từ dầu mỏ gia tăng, gây áp lực lên xã hội và người tiêu dùng Do đó, con người đang tìm kiếm các nguồn năng lượng mới để thay thế dần năng lượng từ dầu mỏ Hiện nay, nhiều loại nhiên liệu khác nhau, trong đó có nhiên liệu sinh học, đang được sử dụng song song với nhiên liệu hóa thạch.
Sử dụng nhiên liệu sinh học có nhiều u điểm nổi bật so với các loại nhiên liệu truyền thống (dầu khí, than đá ), đó là:
Nguồn nhiên liệu tái sinh, được chiết xuất từ hoạt động sản xuất nông nghiệp, có khả năng tái tạo và giúp giảm sự phụ thuộc vào các nguồn tài nguyên nhiên liệu không tái sinh truyền thống.
Năng lượng dưới dạng biofuel đã được biết đến và sử dụng từ lâu, với việc đốt củi, rơm và rác để sinh nhiệt là hình thức năng lượng sinh vật khô phổ biến nhất ở quy mô công nghiệp Nhiều lò hơi đã đạt công suất lên đến hàng chục nghìn kilowatt Ở một số quốc gia, người ta trồng rừng để cung cấp củi đốt lâu dài, trong đó cây bạch dương và một số loại cây nhanh lớn khác thường được sử dụng cho mục đích này.
Sử dụng nhiên liệu sinh học là phương pháp hiệu quả nhất trong việc giảm thiểu tác động môi trường So với nhiên liệu dầu mỏ, nhiên liệu sinh học mang lại nhiều lợi ích vượt trội, được thể hiện qua các tinh chất của chúng trong bảng 1.
Bảng 1 So sánh nhiên liệu sinh học với nhiên liệu dầu mỏ1 [1]
Nhiên liệu dầu mỏ Nhiên liệu sinh học
Sản xuất từ dầu mỏ
Chứa hàm lợng chất thơm
Khó phân hủy sinh học
Không chứa hàm lợng oxy Điểm chớp cháy thấp
Sản xuất từ nguyên liệu động, thực vật Hàm lợng lu huỳnh cực thấp
Không chứa hàm lợng chất thơm
Có khả năng phân hủy sinh học cao
Cã 11% oxy Điểm chớp cháy cao
Việc phát triển nhiên liệu sinh học mang lại nhiều lợi ích, bao gồm giảm đáng kể các khí độc hại như SO2, CO, CO2 và các hydrocacbon chưa cháy hết Điều này không chỉ giúp giảm cặn buồng đốt mà còn mở rộng nguồn năng lượng, góp phần vào an ninh năng lượng quốc gia Hơn nữa, việc này giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu nhập khẩu và tạo ra lợi nhuận cùng việc làm cho người dân.
Việc phát triển nhiên liệu sinh học từ thực vật có thể dẫn đến việc giảm diện tích canh tác các cây lương thực khác, từ đó làm tăng giá lương thực và đe dọa an ninh lương thực.
Tại các khu dân cư đông đúc, việc đốt rác để sản xuất hơi phục vụ cho việc phát điện, sưởi ấm và chế biến thực phẩm đang gia tăng Tuy nhiên, tình trạng này đang gây ra ô nhiễm môi trường nghiêm trọng do lượng dioxin phát sinh quá lớn.
Công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học yêu cầu cao, dẫn đến chi phí cao hơn so với nhiên liệu hóa thạch Điều này đặc biệt gây khó khăn cho các nước đang phát triển, như Việt Nam, trong việc phát triển nguồn năng lượng này.
Một trong những cản trở lớn đối với sản xuất nhiên liệu sinh học là sự phụ thuộc vào điều kiện nuôi trồng động thực vật Quá trình này chịu ảnh hưởng mạnh mẽ từ môi trường, bao gồm thời tiết, phong tục tập quán và đặc điểm vùng miền Những yếu tố này khiến cho việc sản xuất nhiên liệu sinh học không thể diễn ra một cách liên tục.
các loại nhiên liệu sinh học và phơng pháp tổng hợp
Cồn
1.2.1.1 Methanol Đây là loại cồn đơn giản nhất chứa 1 nguyên tử C trong mỗi phân tử
Methanol là một chất lỏng không màu, có mùi gây chóng mặt và độc hại, có thể hấp thụ qua da Phần lớn methanol được sản xuất từ than đá và khí tự nhiên, nhưng cũng có thể được tạo ra từ nguồn tái chế như gỗ hoặc giấy thải Thường được gọi là “cồn gỗ”, methanol có thể được sử dụng làm nhiên liệu động cơ dưới dạng M100 (methanol nguyên chất) hoặc M85, một hỗn hợp 85% methanol và 15% xăng với chỉ số octan 102 M85 có thể được tích trữ và phân phối trong hệ thống phân phối chất lỏng như xăng, nhưng xe sử dụng M85 cần phải được điều chỉnh để phù hợp, bao gồm tỷ số nén cao hơn và hệ thống hút được thiết kế lại Đặc biệt, xe chạy bằng methanol yêu cầu cảm biến nhận biết tỷ lệ cồn và xăng, từ đó điều chỉnh tỷ lệ phối hợp nhiên liệu và thời điểm đánh lửa Ngoài ra, xe chạy methanol cũng cần dầu bôi trơn riêng, có giá cao hơn do sản xuất hạn chế.
Ethanol có thể được sản xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu sinh học như khoai tây, ngũ cốc, củ cải đường, mía đường, gỗ, chất thải nhà máy bia, và thực phẩm hỏng trong quá trình lên men, cũng như từ khí tự nhiên và dầu thô Nó hầu như không độc, hòa tan trong nước, dễ phân hủy và dễ cháy hơn xăng Ethanol nguyên chất ít được sử dụng làm nhiên liệu, thường được pha trộn với xăng để tạo ra nhiên liệu sạch Tại Mỹ, người ta đã pha 10% thể tích ethanol vào xăng, gọi là “xăng pha cồn” hoặc E10 Tại Brazil, ethanol sinh học (làm từ mía đường) là nhiên liệu chủ yếu cho các phương tiện giao thông.
DÇu thùc vËt
Nhiên liệu thực vật, với số Cetane cao và số Octane thấp, chủ yếu phù hợp cho động cơ diesel Các loại dầu thực vật như dầu hạt cải, dầu ôliu, dầu đậu tương, dầu cọ, dầu hướng dương và dầu ngô đều có tiềm năng làm nhiên liệu cho động cơ diesel Thí nghiệm đầu tiên vào đầu thập kỷ 70 cho thấy dầu thực vật thô có thời gian phun lâu hơn, cháy trễ ngắn hơn và thời gian cháy dài hơn so với nhiên liệu diesel Tuy nhiên, các thử nghiệm bền cho thấy dầu thực vật gây thoái hóa động cơ nhanh hơn, làm mài mòn bơm cao áp, đóng muội than tại các vị trí như xupáp và buồng cháy, dẫn đến giảm hiệu suất và công suất động cơ, cũng như dễ gây tắc nghẽn hệ thống nhiên liệu Ngoài ra, dầu thực vật thô có nhiệt độ khởi động lạnh cao, yêu cầu cần sấy nóng trước khi khởi động.
Metyl este
Biodiesel là một loại nhiên liệu sinh học, chủ yếu là monoankyl este (methyl hoặc ethyl este) của axit béo có chuỗi phân tử dài, được chiết xuất từ lipit trong dầu thực vật hoặc mỡ động vật Quá trình sản xuất biodiesel diễn ra thông qua phản ứng este hóa, trong đó các loại dầu như dầu nho, dầu đậu tương, dầu hướng dương, dầu canola và dầu cọ được sử dụng Tại Mỹ, dầu đậu tương là phổ biến, trong khi ở châu Âu, dầu nho (RME) được ưa chuộng Phản ứng este hóa dễ dàng thực hiện khi sử dụng methanol làm tác nhân phản ứng, với điều kiện nhiệt độ khoảng 50°C và áp suất khí quyển, tạo ra methyl este và glycerin là sản phẩm phụ.
Diesel sinh học dùng trong động cơ đợc phân loại trên cơ sở thành phần axit béo tự do (FFA) của chúng nh sau:
• Mỡ động vật và dầu mỡ có thành phần FFA thấp (FFA < 4%)
• Mỡ động vật và dầu mỡ có thành phần FFA cao (FFA < 20%)
Diesel sinh học là một loại nhiên liệu không độc hại, có khả năng bị phân hủy bởi vi khuẩn và không tan trong nước, đồng thời không chứa sunphua hoặc gốc thơm Tuy nhiên, nó có thể làm mềm và thoái hóa các hợp chất cao su tự nhiên, ảnh hưởng đến các thành phần trong hệ thống nhiên liệu Diesel sinh học có thể được sử dụng nguyên chất hoặc pha trộn với dầu diesel thông thường Với đặc tính bôi trơn tốt, biodiesel thường được dùng làm chất phụ gia cho nhiên liệu diesel có hàm lượng sunphua thấp Mặc dù diesel sinh học tinh khiết có nhiệt độ thấp và tính ổn định sinh học hạn chế, việc hòa trộn với nhiên liệu diesel cơ bản chứa hơn 20% diesel sinh học sẽ làm tăng độ nhớt động học ở nhiệt độ thấp.
Hợp chất chứa oxy
Hợp chất hữu cơ chứa oxy có thể được thêm vào nhiên liệu để cải thiện quá trình đốt cháy, tuy nhiên, mức độ của chúng trong nhiên liệu bị giới hạn do tính chất vật lý khác biệt so với hyđrocacbon Những hợp chất này thường có chỉ số Octane cao và giúp giảm phát thải chất độc hại, đặc biệt là CO Các hợp chất chứa oxy phổ biến trong xăng bao gồm cồn (methanol, ethanol, tertiary butyl alcohol [TBA]) và các ether như methyl tertiary butyl ether (MTBE), ethyl tertiary butyl ether (ETBE) và tertiary amyl methyl ether (TAME), với số lượng nguyên tử cacbon từ 1 đến 6 trong mỗi phân tử Nhờ khả năng chống kích nổ tốt, chúng là sự thay thế hiệu quả cho các chất có gốc thơm, và cồn đã được sử dụng trong xăng từ những năm 30, trong khi MTBE lần đầu tiên được sử dụng trong các sản phẩm xăng thương mại tại Ý vào năm.
Dimetyl ether (DME)
DME, hay dimethyl ether, là hợp chất có công thức hóa học đơn giản nhất, được sử dụng phổ biến làm chất đẩy trong các bình xịt Ở nhiệt độ môi trường và áp suất khí quyển, DME tồn tại dưới dạng khí, nhưng có thể được hóa lỏng dưới áp suất thấp (0.5 MPa tại 25°C) Hợp chất này có thể được sản xuất từ gas tự nhiên thông qua quá trình khử.
DME, một loại nhiên liệu được sản xuất từ methanol hoặc nguồn sinh vật, không độc hại, không ăn mòn và không chứa chất gây ung thư Trong trường hợp rò rỉ, DME phân hủy nhanh chóng trong khí quyển, làm giảm tác động đến môi trường Về mặt sinh thái, DME được xem là nhiên liệu lý tưởng cho động cơ do khả năng dễ cháy và lượng khí thải thấp, cùng với chỉ số Octane cao khoảng.
60 Tính bôi tr n của DME thấp vì ộ nhớt của nó rất thấp (khoảng 1/30 so ơ đ với nhiên liệu diesel) Vì vậy, ể tránh mài mòn vòi phun cần đđ ợc cho thêm chất bôi trơn Trớc đây, DME nguyên chất là nhiên liệu tốt cho động cơ diesel, bởi vì động cơ sử dụng nhiên liệu đó có đặc điểm cháy rất tốt lợng , phát thải thấp, đặc biệt giảm thải NOx và khói Sử dụng DME trên phơng tiện vận tải có u điểm hơn là dùng methanol vì sử dụng methanol có quá trình cháy xấu, tuy nhiên có thể khắc phục nhợc điểm này bằng cách chuyển hóa methanol thành MDE theo phản ứng:
Phản ứng cần chất xúc tác α-Al2O3, được chọn dựa trên hiệu quả và giá thành DME, ở nhiệt độ và áp suất môi trường, là chất khí và được đưa vào xy lanh động cơ dưới dạng hơi sương Tuy nhiên, việc sử dụng nhiên liệu DME có thể dẫn đến sự xuất hiện hơi nước, đây là nhược điểm chính của loại nhiên liệu này.
Dimetyl cacbonate (DMC)
DMC là một chất lỏng không màu, không độc và không gây ăn mòn, có thể trộn lẫn với nhiên liệu diesel với một số tỷ lệ nhất định Với 53% oxy theo trọng lượng, DMC có thể được sử dụng như một chất phụ gia cho diesel Hiện tại, DMC được sản xuất từ phosgene và methanol, trong đó HCl là phụ phẩm Tuy nhiên, do phosgene rất độc hại, nhiều công ty đang tìm kiếm các phương pháp sản xuất thân thiện với môi trường hơn để giảm thiểu việc sử dụng phosgene và phụ phẩm Một giải pháp tiềm năng là sản xuất DME từ methanol, CO và O2 với sự hỗ trợ của chất xúc tác HCl và thêm 5% KCl.
2CH3OH + CO + 1/2O2 = CH3OCOO-CH3 + H2O
Mức độ khói có sự phụ thuộc tuyến tính vào DMC, với việc khói giảm khoảng 20% cho mỗi 10% DMC được thêm vào Điều này dẫn đến việc lượng khí CO thải ra cũng giảm theo tỷ lệ tuyến tính khi DMC tăng, cải thiện một phần hiệu suất nhiệt của động cơ Tuy nhiên, việc này cũng làm gia tăng lượng NOx thải ra.
Hydrogen
Hydrogen không phải là nhiên liệu hóa thạch tự nhiên, nhưng có thể được sản xuất từ nhiều nguyên liệu khác nhau như khí tự nhiên, methanol, than đá, sinh vật và nước Hiện tại, hydro chủ yếu được sản xuất thông qua quá trình reforming hydrocacbon Các phương pháp khác để sản xuất hydro bao gồm biến đổi hơi khí CH4, khí hóa than đá, khí sinh vật và điện phân Hydro có thể được tích trữ bằng cách nén thành chất lỏng, ví dụ như metal hydrides Với đặc tính cháy sạch, hydro là lựa chọn lý tưởng làm nhiên liệu cho ôtô, vì khi sử dụng hydro tinh khiết, sản phẩm cháy duy nhất là nước.
Trong chương 1, chúng ta nhận thấy rằng có nhiều loại nhiên liệu được sản xuất từ thiên nhiên Hiện nay, biodiesel và ethanol là hai loại nhiên liệu phổ biến thường được sử dụng cho động cơ đốt trong.
nhiên liệu biodiesel
Khái niệm
Trong những năm gần đây, nhiều quốc gia trên thế giới đã chú trọng đến việc sản xuất nhiên liệu sạch, đặc biệt là nhiên liệu sinh học Biodiesel nổi bật như một dạng nhiên liệu sinh học được quan tâm nhiều nhất, nhờ vào xu hướng diesel hóa động cơ toàn cầu.
Biodiesel là nhiên liệu thay thế diesel, được chiết xuất từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật, đang trở nên phổ biến tại Châu Âu, Châu Mỹ và bắt đầu xuất hiện ở Châu Á Đây là các ankyl este của axit béo, có khả năng sử dụng cho động cơ đốt trong giống như diesel Tại Việt Nam, một quốc gia nông nghiệp với nguồn dầu thực vật phong phú, việc sử dụng biodiesel trong sản xuất nhiên liệu và phụ gia cho nhiên liệu mang lại giá trị khoa học và thực tiễn cao.
2.1.2 Khái quát chung về nguyên liệu để tổng hợp biodiesel
Kể từ khi động cơ diesel ra đời, dầu thực vật đã từng là nhiên liệu đầu tiên được sử dụng Tuy nhiên, do giá thành cao hơn dầu diesel khoáng, dầu thực vật không được lựa chọn phổ biến Gần đây, với sự gia tăng giá cả và hạn chế nguồn cung của nhiên liệu khoáng, dầu thực vật đang ngày càng được chú ý và có tiềm năng thay thế dầu khoáng trong tương lai gần nhờ vào lợi ích về môi trường và khả năng tái sinh.
Dầu thực vật dùng để tổng hợp biodiesel cần có chỉ số axit thấp hơn 0,5 mg KOH/g Dầu đã tinh chế có thể sử dụng ngay cho phản ứng, trong khi dầu thực vật thô hoặc dầu thải với chỉ số axit cao và nhiều tạp chất hữu cơ cần được tinh chế để loại bỏ axit béo và tạp chất, thường thông qua phương pháp trung hòa bằng kiềm.
Việc sử dụng dầu thực vật như một nhiên liệu thay thế cho dầu mỏ đã bắt đầu từ những năm 1980, nhờ vào những lợi ích vượt trội của nó Dầu thực vật có khả năng nuôi trồng, sẵn có và tái sinh, đồng thời có nhiệt lượng tương đối cao, hàm lượng lưu huỳnh thấp hơn và ít chất thơm hơn Tuy nhiên, vấn đề chính trong việc sử dụng trực tiếp dầu thực vật là độ nhớt quá cao, do đó cần phải trải qua quá trình chế biến và tổng hợp để cải thiện tính chất của nó.
Có thể tham khảo cơ cấu sản xuất biodiesel trên thế giới nh hình 2.1 díi ®©y
Hình 2.1 Cơ cấu sản xuất biodiesel từ các loại dầu khác nhau [1]
2.1.2.2 M ột số dầu thực vật điển hình để tổng hợp biodiesel
Dầu đậu nành tinh khiết có màu vàng sáng và chứa chủ yếu axit béo linoleic (50% - 57%) và oleic (23% - 29%) Nó được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm và là nguyên liệu chính để sản xuất margarin Ngoài ra, dầu đậu nành còn được dùng để sản xuất sơn, vecni, xà phòng và đặc biệt là biodiesel Cây đậu nành được trồng phổ biến trên toàn thế giới, đặc biệt là ở vùng đồng bằng nước ta.
Dừa là cây nhiệt đới phổ biến, được trồng rộng rãi ở Đông Nam Á, Châu Phi và Châu Mỹ Latinh, với Việt Nam là một trong những quốc gia có diện tích trồng dừa lớn, đặc biệt ở Thanh Hóa, Nghĩa Bình, Phú Khánh và Nam Trung Bộ Cây dừa có khả năng sinh trưởng lâu năm, phù hợp với khí hậu nóng ẩm và có thể phát triển ở các vùng đất mặn, lợ hoặc chua Đặc biệt, dầu dừa chứa nhiều axit béo lauric (chiếm từ 44% đến 52%) và myristic (13%).
Dầu dừa, với hàm lượng chất béo không no rất ít, chiếm tỷ lệ panmitic từ 7,5% đến 10,5%, được sử dụng phổ biến trong ngành thực phẩm Nó không chỉ có khả năng sản xuất margarin mà còn là nguyên liệu lý tưởng cho việc sản xuất xà phòng và biodiesel.
Cọ là cây nhiệt đới phổ biến ở nhiều quốc gia như Chilê, Ghana, Tây Phi và một số nước Châu Âu Từ cây cọ, người ta có thể sản xuất hai loại dầu: dầu nhân cọ và dầu cùi cọ, với dầu nhân cọ có màu trắng và dầu cùi cọ có màu vàng Dầu cùi cọ không chỉ là thực phẩm tốt cho sức khỏe mà còn được sử dụng để chế biến thành bơ và mỡ thực vật, nhờ chứa nhiều caroten, nó còn được dùng để sản xuất chất tiền sinh tố A Trong khi đó, dầu nhân cọ thường được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau.
14 thực phẩm bánh kẹo và xà phòng Cả hai loại dầu này có thể làm nguyên liệu rất tốt để sản xuất biodiesel
Dầu hạt cao su được chiết xuất từ hạt cây cao su, với hàm lượng dầu chiếm khoảng 40 đến 60% Cây cao su được trồng rộng rãi trên thế giới, đặc biệt là ở Ấn Độ, Châu Phi và Nam Mỹ, trong khi tại Việt Nam, cây cao su được đưa vào trồng từ thời Pháp thuộc, chủ yếu ở các tỉnh miền Đông Nam Bộ Cây cao su phát triển tốt nhất trên đất đỏ Mặc dù dầu hạt cao su có hàm lượng axit béo cao, khiến nó ít được sử dụng so với các loại dầu khác, nhưng nếu được dùng làm nguyên liệu sản xuất biodiesel, nó sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao.
Dầu hạt cao su chứa hàm lượng axit béo cao hơn so với các loại dầu khác nhờ sự hiện diện của enzym lipaza, giúp thủy phân glyxerit thành axit béo Sau khi trải qua quá trình xử lý nhiệt, chỉ số axit của dầu trở nên ổn định do enzym lipaza không còn hoạt động.
Cây sở, một loại cây lâu năm phổ biến ở vùng nhiệt đới, đặc biệt được trồng nhiều tại các tỉnh trung du phía Bắc Việt Nam Dầu sở chứa thành phần axit béo phong phú, bao gồm axit oleic (>60%), axit linoleic (15% đến 24%) và axit palmitic (15% đến 26%) Sau khi tách saponin, dầu sở trở thành một loại dầu thực phẩm rất tốt và được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp xà phòng và mỹ phẩm Hơn nữa, dầu sở còn là nguyên liệu tiềm năng cho sản xuất biodiesel.
Bông là cây trồng một năm, nổi bật với dầu bông chứa carotenoit và đặc biệt là gosipol, một độc tố mạnh, làm cho dầu có màu đen hoặc sẫm Hiện nay, phương pháp tinh chế bằng kiềm hoặc axit antranilic giúp tách gosipol để chuyển đổi thành dầu thực phẩm Dầu bông chứa nhiều axit béo no panmitic, khiến nó ở thể rắn ở nhiệt độ phòng Qua quá trình làm lạnh, panmitic có thể được tách ra để sản xuất margarin và xà phòng Bên cạnh đó, dầu bông cũng là nguyên liệu lý tưởng cho sản xuất biodiesel.
Hướng dương là loại cây hoa một năm, chủ yếu trồng ở các vùng lạnh như Châu Âu, Châu Mỹ, Châu Á, và đặc biệt là Liên Xô cũ, nơi chiếm 90% sản lượng toàn cầu Cây này có hàm lượng dầu cao và sản lượng lớn, với dầu hướng dương có mùi vị đặc trưng và màu sắc từ vàng sáng đến đỏ Dầu hướng dương chứa nhiều protein, là sản phẩm quý giá cho dinh dưỡng con người, đồng thời cũng là nguyên liệu tuyệt vời để sản xuất biodiesel.
Dầu thầu dầu, hay còn gọi là dầu ve, được chiết xuất từ hạt quả của cây thầu dầu, chủ yếu trồng ở các vùng nhiệt đới như Brazil, Ấn Độ, Trung Quốc, Liên Xô cũ và Thái Lan Tại Việt Nam, cây thầu dầu chủ yếu phát triển ở Thanh Hóa và Nghệ An, nhưng vẫn phải nhập khẩu nhiều từ Trung Quốc Dầu thầu dầu có đặc điểm là không khô, chỉ số iot từ 80 đến 90, tỷ trọng lớn, tan trong ankan nhưng không tan trong xăng và dầu hỏa Với độ nhớt cao, dầu thầu dầu được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp bôi trơn, đặc biệt là cho động cơ máy bay, xe lửa và các máy có tốc độ cao Ngoài ra, dầu thầu dầu còn được ứng dụng trong y tế, công nghiệp hương liệu, mỹ phẩm, sản xuất chất dẻo, làm giấy than, giấy nến, mực in, công nghệ dệt nhuộm, thuộc da, sơn và công nghiệp bôi trơn, cũng như trong sản xuất biodiesel.
Công nghệ chuyển hóa biodiesel
Biodiesel được sản xuất từ dầu thực vật tinh luyện hoặc dầu phế thải như dầu dừa, dầu đậu nành, dầu hạt hướng dương, dầu lạc, dầu cọ, dầu hạt cải dầu, hoặc từ mỡ động vật như mỡ lợn và mỡ bò thông qua quá trình este hóa chéo (transesterification) Dầu thực vật thường chứa khoảng 90-99% triglyxerit, cùng với các hợp chất như axit béo tự do, mono và diglyxerit, photpholipit, tocopherol, sterol và các chất màu tự nhiên Ngược lại, mỡ động vật hoặc dầu phế thải chứa nhiều axit béo tự do hơn Triglyxerit trong dầu thực vật hoặc mỡ động vật phản ứng với ancol, thường là methanol, để tạo thành ankyl este của axit béo.
Hình 2.2 Sơ đồ phản ứng este hóa chéo dầu thực vật với methanol
Chất xúc tác thờng đợc sử dụng để tăng tốc độ và hiệu suất phản ứng
Do phản ứng có tính chất thuận nghịch, lượng ancol thường được điều chỉnh để dịch chuyển cân bằng về phía sản phẩm Glyxerin, sản phẩm phụ của quá trình này, được ứng dụng rộng rãi trong ngành dược phẩm, mỹ phẩm và một số lĩnh vực khác.
Để sản xuất biodiesel, có thể áp dụng quá trình xúc tác đồng thể hoặc dị thể với các nguyên lý gián đoạn hoặc liên tục Trong giai đoạn đầu, công nghệ gián đoạn được ưa chuộng tại Mỹ do thị trường biodiesel còn hạn chế, trong khi Châu Âu và một số nhà máy mới tại Mỹ sử dụng công nghệ liên tục Mục tiêu chung của các công nghệ này là sản xuất biodiesel đạt tiêu chuẩn nhiên liệu sinh học, đáp ứng các tiêu chuẩn quy định như ASTM của Mỹ Kiểm tra chất lượng là rất quan trọng để loại bỏ hoàn toàn các tạp chất như ancol, xúc tác, nước, xà phòng, glyxerin, triglyxerit chưa phản ứng và axit béo Đối với nguyên liệu không phải dầu tinh luyện với hàm lượng axit béo tự do thấp (< 4%), có thể xử lý sơ bộ bằng cách dùng một lượng nhỏ bazơ để tạo xà phòng, sau đó tiến hành este hóa chéo Nguyên liệu có hàm lượng axit béo tự do cao (> 4%) cần tiến hành este hóa với xúc tác axit trước khi este hóa chéo với xúc tác bazơ, trong đó axit béo phản ứng với methanol để tạo metyl este, mặc dù hiệu suất thường dưới 96%, dẫn đến việc còn lại khoảng 4% axit béo tự do.
Hình 2.3 Sơ đồ công nghệ sản xuất biodiesel từ các nguồn nguyên liệu khác nhau
Trước khi chuyển sang quá trình este hóa chéo, cần nhấn mạnh về phản ứng este hóa, thường được xúc tác bằng axit mạnh như H2SO4 Đây là quá trình thuận nghịch, diễn ra chậm và không hoàn toàn, với trạng thái cân bằng có thể mất vài ngày để đạt được ở nhiệt độ thường Để cải thiện hiệu suất phản ứng, có thể tác động đến ba thông số: nhiệt độ, áp suất và nồng độ các chất phản ứng Tuy nhiên, trong phản ứng este hóa, nhiệt độ không ảnh hưởng đến thành phần phản ứng vì phản ứng này là athermique, chỉ giúp đạt trạng thái cân bằng nhanh hơn.
20 axit béo với methanol, ngời ta thờng tiến hành phản ứng ở khoảng nhiệt độ sôi của methanol (khoảng 60 - 65 0 C)
Để tăng cường sản xuất este, người ta có thể điều chỉnh tỷ lệ các chất phản ứng bằng cách sử dụng một lượng dư của chất rẻ hơn Trong quá trình este hóa axit béo, thường sử dụng lượng dư ancol so với axit béo để đạt được hiệu quả cao hơn.
Thực trạng và tính kinh tế
Công nghệ este hóa dầu thực vật đã được áp dụng rộng rãi trên toàn cầu, với giá sản xuất metyleste từ dầu hạt cải (RME) tại châu Âu khoảng 0,5 euro/lít (15 euro/GJ), phụ thuộc vào giá sinh khối và công suất nhà máy Chi phí đầu tư ngắn hạn cho nhà máy 400 MW nhiệt vào khoảng 150 euro/kW nhiệt, trong khi chi phí đầu tư dài hạn cho nhà máy lớn hơn 1000 MW có thể giảm tới 30% Năng suất và giá trị sản phẩm phụ như thức ăn gia súc và glyxerin tinh khiết cũng là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến giá RME.
So sánh chất lợng của biodiesel và diesel khoáng
2.1 5.1 Chỉ tiêu chất lợng của biodiesel
Theo tiêu chuẩn ASTM chỉ tiêu chất lợng của bio, diesel đợc quy định theo bảng 2 1 :
Bảng 2.1 Các chỉ tiêu chất lợng của biodiesel gốc (B100)
TT Tên chỉ tiêu Mức Phơng phá thử
2 Khối lợng riêng tai 15 o C 860-900 TCVN6594
3 Điểm chớp cháy cốc kín, o C 130,0 TCVN 2693
4 Nớc và cặn, %Thể tích, max 0,050 TCVN 7757
5 Độ nhớt động học tại 40 o C, mm 2 /s 1,9 - 6,0 TCVN 3171
6 Tro sunfat, %Khối lợng, max 0,020 TCVN 2698
7 Lu huỳnh, %Khối lợng (ppm), max 0,05 (500) TCVN 6701
8 ăn mòn đồng, loại N o 1 TCVN 2694
9 Trị số xetan, min 47 TCVN 7630
10 Điểm vẩn đục, o C Báo cáo ASTM D 2500
11 Cặn cacbon, %Khối lợng, max 0,050 ASTM D 4530
12 Trị số axit, mgKOH/g, max 0,50 TCVN 6325
13 Chỉ số iot, gamiot/100 g, max 120 EN 14111/TCVN
14 Độ ổn định oxy hoá tại 110 o C, giờ 6 EN 14112
15 Glyxerin tự do, %Khối lợng, max 0,020 ASTM D 6584
16 Glyxerin tổng,%Khối lợng, max 0,240 ASTM D 6584
17 Photpho, %Khối lợng, max 0,001 ASTM D 4951
18 Nhiệt độ cất 90% thu hồi, o C, max 360 ASTM D 1160
19 Na và K, mg/kg, max 5,0 EN 14108 và
Không có níc tù do, cặn và tạp chất lơ lửng
Quan sát bằng mắt thêng
Sản phẩm cháy của biodiesel sạch hơn nhiều so với diesel khoáng Đặc biệt, B20 (20% biodiesel và 80% diesel khoáng) có thể được sử dụng trong động cơ diesel mà không cần thay đổi cấu trúc động cơ, và thực tế, các động cơ vẫn hoạt động hiệu quả khi pha trộn 20% biodiesel.
Một số tính chất của biodiesel có chỉ số tốt hơn so với diesel Tính chất của biodiesel và diesel đợc trình bày dới bảng 2 2
Bảng 2 2 So sánh tính chất của nhiên liệu diesel khoáng với biodiesel [1]
Chỉ tiêu Biodiesel Diesel khoáng
Tỷ trọng 0,87 0,894 0,81 0,894 Độ nhớt động học ở 40 o C, cSt 3,7 4 5,8 1,9 4 4,1
Nhiệt lợng toả ra khi cháy, cal/g 37000 43800
Hàm lợng oxy, (%Khối lợng) 9,2 4 11,0 0 4 0,6 Điểm vẩn đục, o C -11 4 16 -
2.1.5 2 Ưu điểm của bio diesel
Trị số xetan là đơn vị đo khả năng tự bắt cháy của nhiên liệu diesel, với trị số xetan cao giúp mồi lửa và cháy tốt hơn, đồng thời làm cho động cơ hoạt động đều đặn hơn Nhiên liệu diesel thường có trị số xetan từ 50 đến 52, trong khi diesel cho động cơ cao tốc có trị số từ 53 đến 54 Biodiesel, với cấu trúc alkyl este mạch thẳng, có trị số xetan cao hơn diesel khoáng, thường dao động từ 56 đến 58 Với trị số xetan như vậy, biodiesel đáp ứng tốt yêu cầu của các động cơ cần nhiên liệu chất lượng cao và khả năng tự bắt cháy mà không cần thêm phụ gia.
Biodiesel có hàm lượng lưu huỳnh rất thấp, chỉ khoảng 0,001%, điều này mang lại lợi ích lớn cho quá trình sử dụng làm nhiên liệu Nhờ vào đặc tính này, biodiesel giúp giảm đáng kể khí thải SOx, từ đó hạn chế sự ăn mòn thiết bị và ô nhiễm môi trường.
Nhiên liệu biodiesel chứa khoảng 11% oxy, giúp quá trình cháy diễn ra hoàn toàn Do đó, các động cơ sử dụng biodiesel sẽ giảm đáng kể lượng muội và cặn bã hình thành trong quá trình vận hành.
* Khả năng bôi trơn cao nên giảm mài mòn
Biodiesel có khả năng bôi trơn vượt trội so với diesel khoáng, với giá trị HFRR khoảng 200, trong khi diesel khoáng yêu cầu phụ gia để đạt giá trị HFRR tối ưu là 450 Điều này cho thấy biodiesel không chỉ là nhiên liệu độc lập mà còn là phụ gia hiệu quả cho diesel thông thường Việc thêm biodiesel vào diesel có thể giảm đáng kể sự mài mòn của động cơ, và các thử nghiệm đã chứng minh rằng sau khoảng 15.000 giờ làm việc, sự mài mòn vẫn không được ghi nhận.
* Tính ổn định của biodiesel
Biodiesel có ưu điểm lớn về môi trường nhờ khả năng phân huỷ nhanh chóng, đạt tới 98% chỉ trong 21 ngày Tuy nhiên, lợi ích này đòi hỏi sự chú ý đặc biệt trong quá trình bảo quản nhiên liệu.
* Giảm lợng khí thải độc hại và nguy cơ mắc bệnh ung th
Theo nghiên cứu của Bộ Năng lượng Mỹ tại một trường đại học ở California, việc sử dụng biodiesel tinh khiết thay cho diesel khoáng có thể giảm tới 93,6% nguy cơ mắc bệnh ung thư từ khí thải động cơ Điều này nhờ vào việc biodiesel chứa ít hợp chất thơm, rất ít lưu huỳnh, và quá trình cháy triệt để hơn, giúp giảm đáng kể lượng hydrocarbon trong khí thải.
* An toàn về cháy nổ tốt hơn
Biodiesel có nhiệt độ chớp cháy cao, trên 110 °C, vượt xa so với diesel khoáng, chỉ khoảng 60 °C Điều này làm giảm tính chất nguy hiểm của biodiesel, đồng thời tăng cường độ an toàn trong việc lưu trữ và vận chuyển.
* Nguồn nhiên liệu cho tổng hợp hoá học
Các ankyl este axit béo không chỉ được sử dụng làm nhiên liệu mà còn là nguồn nguyên liệu quan trọng trong ngành công nghệ hóa học Chúng được ứng dụng để sản xuất các rượu béo, trong dược phẩm và mỹ phẩm, cũng như trong chế tạo ankanolamin, isopropylic este và các polyeste, phục vụ cho ngành nhựa và chất hoạt động bề mặt.
* Có khả năng nuôi trồng đợc
2.1.5 3 Nhợc điểm chủ yếu của bio diesel
Biodiesel được sản xuất từ dầu thực vật có giá cao hơn so với nhiên liệu truyền thống, với giá 1 gallon dầu đậu nành ở Mỹ dao động từ 2 đến 3 lần so với 1 gallon diesel khoáng Tuy nhiên, trong quá trình sản xuất biodiesel, glyxerin, một sản phẩm phụ có tiềm năng thương mại lớn, có thể giúp bù đắp một phần chi phí cao của biodiesel.
Một trong những hạn chế của biodiesel là tính chất thời vụ của nguồn nguyên liệu từ dầu thực vật Để biodiesel trở thành một nguồn nguyên liệu ổn định và thường xuyên, cần phải có kế hoạch tốt cho vùng nguyên liệu.
Quá trình sản xuất biodiesel cần phải được thực hiện đúng cách, nếu không sẽ dẫn đến ô nhiễm do các tạp chất như xà phòng, kiềm, methanol và glyxerin tự do còn sót lại Điều này nhấn mạnh sự cần thiết phải có các tiêu chuẩn cụ thể để đánh giá chất lượng biodiesel, nhằm đảm bảo an toàn và giảm thiểu tác động xấu đến môi trường.
Tỷ lệ pha chế và tính chất khói thải của nhiên liệu biodiesel 25 2.2 nhiên liệu xăng ethanol
Để động cơ diesel hoạt động hiệu quả mà không cần thay đổi cấu trúc kỹ thuật, tỷ lệ pha trộn lý tưởng là từ 2% đến 20% biodiesel vào diesel khoáng Việc sử dụng 100% biodiesel giúp giảm đáng kể khí độc hại trong khí thải, nhưng lại đòi hỏi phải điều chỉnh động cơ, gây tốn kém về thời gian và chi phí Do đó, hiện nay, nhiều nhà máy chế tạo nhiên liệu trên thế giới ưu tiên sử dụng nhiên liệu pha trộn, thường là biodiesel.
Diesel khoáng được pha trộn với tỷ lệ B5, B10, B15, B20 tương ứng với 5%, 10%, 15%, và 20% biodiesel, cho thấy rằng các tỷ lệ này vẫn duy trì công suất động cơ mà không cần thay đổi cấu trúc của động cơ diesel, đồng thời giảm đáng kể khí độc hại trong khói thải Hiện tại, tỷ lệ pha trộn được khuyến nghị tại Việt Nam là B5, với kế hoạch tiến tới B20 trong tương lai gần Các chỉ tiêu chất lượng của B5 đã được các nhà khoa học nghiên cứu và trình bày trong bảng 2.3.
Bảng 2.3 Các chỉ tiêu chất lợng của B5 so với B100 và diesel khoáng
Các chỉ tiêu Phơng pháp ph©n tÝch B5 B100 Diesel khoáng
Chỉ số xetan, min (xác định) ASTM-D 976 50,2 51,4 50 Độ nhớt động học ở
Hàm lợng lu huỳnh, mg/kg, max TCVN-6701 0,44