báo cáo khoa học nghiên cứu khẳ năng sản xuất dầu nhiên liệu từ biomass bằng phương pháp nhiệt phân

Các sản phẩm dầu mỏ hiện nay vẫn là nguồn cung cấp nhiên liệu chủ yếu cho đời sống, sinh hoạt và sản xuất của con người. Việc tiêu thụ năng lượng ngày càng gia tăng trong khi đó thì nguồn nhiên liệu hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt. Thêm vào đó, các cuộc xung đột chính trị, tranh chấp lãnh thổ trên thế giới góp phần đẩy tăng giá của nhiên liệu. Hơn nữa, việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch đã gây ra những hậu quả nghiêm trọng cho môi trường (hiện tượng trái đất nóng lên do hiệu ứng nhà kính, ô nhiễm không khí…) Trong sự cố gắng giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ và giảm ô nhiễm môi trường, công cuộc tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế trở thành việc làm có tính sống còn trong những thập kỉ tới. Rất nhiều nguồn nhiên liệu thay thế đã được nghiên cứu, ứng dụng và năng lượng sinh học – nguồn năng lượng sạch và có khả năng tái tạo – đã và đang được nghiên cứu và đưa vào sử dụng, sẽ trở thành nguồn năng lượng đầy hứa hẹn cung cấp nguồn năng lượng cho công nghiệp và đời sống trong tương lai. Nhiên liệu sinh học hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc động – thực vật được nhiều nước trên thế giới coi là “giải pháp xanh”. Nó có khả năng tái sinh, tính trung tính về cacbon, có thể bù đắp cho sự thiếu hụt nguồn nhiên liệu hóa thạch trong tương lai và giảm bớt ô nhiễm môi trường. Biooil nhiên liệu có nhiều ưu điểm như: không phát thải SOx; CO2 phát thải không đáng kể, thấp hơn khoảng 7%; giảm 50% phát thải NOx; giảm 75% khí nhà kính. Cùng với bioetanol, diesel từ biomass là một sản phẩm nhiên liệu đang được nghiên cứu, phát triển công nghệ sản xuất diesel từ các phế phẩm nông nghiệp như bã mía, rơm rạ, vỏ trấu, hạt cao su, mỡ cá… những nguồn nguyên liệu chứa lignocellulose được cho là đầy triển vọng, rẻ tiền, khối lượng hàn năm rất lớn, không có tính cạnh tranh với lương thực thế giới và góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường do đốt bỏ hay thải bỏ các nguồn nguyên liệu này. Ở Việt Nam, phế phẩm nông nghiệp rất nhiều nhưng vẫn chưa được xử lý hợp lí. Nguồn phụ phẩm, phế thải nông nghiệp như rơm rạ,…đang được xử lý chủ yếu là đốt bỏ ở các vùng nông thôn. Nhận thấy thuận lợi về nguồn nguyên liệu biomass, Việt Nam đã và đang thực hiện nghiên cứu và sản xuất nhiên liệu sinh học. Nhà nước Việt Nam cũng đã có những chính sách ưu tiên, tạo điều kiện phát triển như: năm 2007, bộ tiêu chuẩn về xăng sinh học và dầu nhờn sinh học được ban hành; 20112007, Thủ tướng chính phủ phê duyệt” Đề án phát triển năng lượng sinh học đến 2015, tầm nhìn đến 2025”; 102008, Bộ Công thương phê duyệt dự án trồng cây để phục vụ cho sản xuất nhiên liệu sinh học… Hiện nay, trên thế giới, nhiên liệu sinh học đã được sử dụng rất nhiều, thay thế cho nguồn nhiên liệu hóa thạch.Brazil là đất nước đứng đầu về sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học Etanol từ mía đường. Cùng với một số quốc gia khác trên thế giới như Mỹ, cộng đồng châu Âu, Trung Quốc, Ấn Độ, Malaysia, Indonesia,…đã nghiên cứu và sử dụng thành công nhiên liệu sinh học thay thế nhiên liệu hóa thạch. Với đề tài “Nghiên cứu hoàn thiện quá trình sản xuất dầu nhiệt phân từ biomass bằng phương pháp nhiệt phân”, qua những cơ sở nghiên cứu đã có từ đề tài: “Nghiên cứu khẳ năng sản xuất dầu nhiên liệu từ biomass bằng phương pháp nhiệt phân” – giai đoạn nghiên cứu 1,được tiếp tục tối ưu các thông số để thu được dầu nhiệt phân có thể thay thế cho dầu đốt, dầu diesel tập trung vào nguồn nguyên liệu hạt cao su.

LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan tự thực hiện đồ án dưới sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn. Kết quả trình bày trong đồ án là do tôi thu thập được trong quá trình thực nghiệm và sử dụng tài liệu tham khảo được trích dẫn trong phần tài liệu tham khảo. Nếu có sai phạm tôi xin chịu trách nhiệm. 1 LỜI CẢM ƠN Trước hết, chúng tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong khoa Hóa Học và Công Nghệ Thực Phẩm, trường đại học Bà Rịa - Vũng Tàu đã tận tình truyền đạt cho chúng tôi những kiến thức quý báu và tạo điều kiện được học hỏi và bổ sung kiến thức trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu khoa học. Chúng tôi xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể ban giám đốc cũng như các anh chị Trung tâm nghiên cứu và phát triển công nghệ lọc hóa dầu - trường đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em có thể hoàn thành đề tài này. Đặc biệt, chúng tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Quốc Hải đã tận tình hướng dẫn, thảo luận và đóng góp ý kiến và kinh nghiệm trong suốt quá trình nghiên cứu đề tài này. Cuối cùng,chúngtôi muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, những người đã giúp đỡ rất nhiều, động viên cố gắng vượt qua những khó khăn trong học tập và cuộc sống. Chúng tôi xin chân thành cảm ơn! 2 MỤC LỤC 3 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ASTM: American Society for Testing and Materials BET: Xác định diện tích bề mặt GC – MS: Gas Chromatography Mass Spectrometry (Sắc ký khí – khối phổ) TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam 4 DANH MỤC BẢNG DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH 5 6 Đề tài khoa học cấp trường Trường ĐH BR-VT LỜI MỞ ĐẦU Các sản phẩm dầu mỏ hiện nay vẫn là nguồn cung cấp nhiên liệu chủ yếu cho đời sống, sinh hoạt và sản xuất của con người. Việc tiêu thụ năng lượng ngày càng gia tăng trong khi đó thì nguồn nhiên liệu hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt. Thêm vào đó, các cuộc xung đột chính trị, tranh chấp lãnh thổ trên thế giới góp phần đẩy tăng giá của nhiên liệu. Hơn nữa, việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch đã gây ra những hậu quả nghiêm trọng cho môi trường (hiện tượng trái đất nóng lên do hiệu ứng nhà kính, ô nhiễm không khí…) Trong sự cố gắng giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ và giảm ô nhiễm môi trường, công cuộc tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế trở thành việc làm có tính sống còn trong những thập kỉ tới. Rất nhiều nguồn nhiên liệu thay thế đã được nghiên cứu, ứng dụng và năng lượng sinh học – nguồn năng lượng sạch và có khả năng tái tạo – đã và đang được nghiên cứu và đưa vào sử dụng, sẽ trở thành nguồn năng lượng đầy hứa hẹn cung cấp nguồn năng lượng cho công nghiệp và đời sống trong tương lai. Nhiên liệu sinh học hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc động – thực vật được nhiều nước trên thế giới coi là “giải pháp xanh”. Nó có khả năng tái sinh, tính trung tính về cacbon, có thể bù đắp cho sự thiếu hụt nguồn nhiên liệu hóa thạch trong tương lai và giảm bớt ô nhiễm môi trường. Bio-oil nhiên liệu có nhiều ưu điểm như: không phát thải SO x ; CO 2 phát thải không đáng kể, thấp hơn khoảng 7%; giảm 50% phát thải NO x ; giảm 75% khí nhà kính. Cùng với bioetanol, diesel từ biomass là một sản phẩm nhiên liệu đang được nghiên cứu, phát triển công nghệ sản xuất diesel từ các phế phẩm nông nghiệp như bã mía, rơm rạ, vỏ trấu, hạt cao su, mỡ cá… những nguồn nguyên liệu chứa lignocellulose được cho là đầy triển vọng, rẻ tiền, khối lượng hàn năm rất lớn, không có tính cạnh tranh với lương thực thế giới và góp phần Khoa Hóa Học & CNTP 7 Chuyên ngành Hóa Dầu Đề tài khoa học cấp trường Trường ĐH BR-VT giảm thiểu ô nhiễm môi trường do đốt bỏ hay thải bỏ các nguồn nguyên liệu này. Ở Việt Nam, phế phẩm nông nghiệp rất nhiều nhưng vẫn chưa được xử lý hợp lí. Nguồn phụ phẩm, phế thải nông nghiệp như rơm rạ,…đang được xử lý chủ yếu là đốt bỏ ở các vùng nông thôn. Nhận thấy thuận lợi về nguồn nguyên liệu biomass, Việt Nam đã và đang thực hiện nghiên cứu và sản xuất nhiên liệu sinh học. Nhà nước Việt Nam cũng đã có những chính sách ưu tiên, tạo điều kiện phát triển như: năm 2007, bộ tiêu chuẩn về xăng sinh học và dầu nhờn sinh học được ban hành; 20/11/2007, Thủ tướng chính phủ phê duyệt” Đề án phát triển năng lượng sinh học đến 2015, tầm nhìn đến 2025”; 10/2008, Bộ Công thương phê duyệt dự án trồng cây để phục vụ cho sản xuất nhiên liệu sinh học… Hiện nay, trên thế giới, nhiên liệu sinh học đã được sử dụng rất nhiều, thay thế cho nguồn nhiên liệu hóa thạch.Brazil là đất nước đứng đầu về sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học Etanol từ mía đường. Cùng với một số quốc gia khác trên thế giới như Mỹ, cộng đồng châu Âu, Trung Quốc, Ấn Độ, Malaysia, Indonesia,…đã nghiên cứu và sử dụng thành công nhiên liệu sinh học thay thế nhiên liệu hóa thạch. Với đề tài “Nghiên cứu hoàn thiện quá trình sản xuất dầu nhiệt phân từ biomass bằng phương pháp nhiệt phân”, qua những cơ sở nghiên cứu đã có từ đề tài: “Nghiên cứu khẳ năng sản xuất dầu nhiên liệu từ biomass bằng phương pháp nhiệt phân” – giai đoạn nghiên cứu 1,được tiếp tục tối ưu các thông số để thu được dầu nhiệt phân có thể thay thế cho dầu đốt, dầu diesel tập trung vào nguồn nguyên liệu hạt cao su. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:  Xác định cácthông số điều kiện của quá trìnhnhiệt phân tầng cố định để thu được dầu nhiệt phân từ hạt cao su.  Nghiên cứu khả năng cải thiện dầu nhiệt phân bằng các xúc tác khác nhau. Khoa Hóa Học & CNTP 8 Chuyên ngành Hóa Dầu Đề tài khoa học cấp trường Trường ĐH BR-VT Để thực hiện mục tiêu trên, các nội dung cần nghiên cứu và thực hiện trong đề tài là:  Tìm hiểu quá trình chuyển hóa biomass thành bio-oil bằng phương pháp nhiệt phân tầng cố định.  Tiến hành các thí nghiệm nhiệt phân không xúc tác, xác định các thông số tối ưu đem lại hiệu quả mong muốn như: tốc độ gia nhiệt, tốc độ sục khí N 2 , kích thước nguyên liệu.  Tổng hợp, hoạt hóa các xúc tác KOH/γ–Al 2 O 3 , Bentonit/H + , Zeolit 3A.  Tiến hành nhiệt phân có xúc tác, đánh giá và so sánh hiệu quả của các xúc tác được sử dụng, tìm lượng xúc tác sử dụng thích hợp vừa tiết kiệm lại có hiệu xuất cao.  Thực hiện đo độ nhớt, điểm chớp cháy cốc hở, nhiệt trị, xác định thành phần của các mẫu dầu nhiệt phân. Đánh giá các tính chất hóa lý của sản phẩm dầu nhiệt phân thô.  Đo BET xác định diện tích bề mặt của các xúc tác.  Chưng cất phân đoạn dầu nhiệt phân thô đem xác định các thành phần và tính chất phân đoạnchưng cất thu được như với mẫu dầu nhiệt phân thô, so sánh các kết quả thu được với phân đoạn tương ứng của nhiên liệu từ dầu mỏ. Khoa Hóa Học & CNTP 9 Chuyên ngành Hóa Dầu Đề tài khoa học cấp trường Trường ĐH BR-VT CHƯƠNGI.CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1. Quá trình nghiên cứu giai đoạn 1 Đề tài: “Nghiên cứu khả năng sản xuất dầu nhiên liệu từ biomass bằng phương pháp nhiệt phân” là giai đoạn đầu nghiên cứu về phương pháp sản xuất dầu nhiên liệu từ biomass bằng phương pháp nhiệt phân trong đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường – trường Đại học Bà Rịa Vũng Tàu thực hiện năm 2013. 1.1.1. Mục đích nghiên cứu [3] Nhiên liệu sinh khối biomass là nguồn năng lượng tái sinh cổ xưa nhất, tốt nhất, phong phú nhất trên thế giới và có khả năng chuyển thành các nhiên liệu lỏng, thân thiện môi trường hơn thay thế năng lượng hóa thạch và không ảnh hưởng đến an ninh lương thực. Hiện nay, trên quy mô toàn cầu, nhiên liệu sinh khối là nguồn năng lượng lớn thứ tư, chiếm đến 14-15% tổng năng lượng tiêu thụ. Ở các nước phát triển, sinh khối thường là nguồn năng lượng lớn nhất, đóng góp khoảng 35% tổng số năng lượng. Từ sinh khối, có thể sản xuất ra nhiên liệu khí cũng như nhiên liệu lỏng làm chất đốt hay nhiên liệu cho động cơ. Nhiên liệu lỏng từ sinh khối được tổng hợp thông qua một quá trình gọi là nhiệt phân trong điều kiện thiếu oxy. Sau khi nhiệt phân thu được chất lỏng gọi là dầu nhiệt phân, hay còn gọi là bio-oil,sau khi được cải thiện các tính chất, làm giảm thành phần oxy, cải thiện độ bền nhiệt. Do vậy, hướng nghiên cứu chuyển hóa biomass thành nhiên liệu lỏng là một quá trình nghiên cứu dài và ngày càng được nghiên cứu rộng. 1.1.2. Nghiên cứu về nguyên liệu sinh khối a) Nguyên liệu sinh khối [13] [15] Biomass là tập hợp của các hợp chất hữu cơ có nguồn gốc từ thực vật (rễ, thân, lá) và động vật (chất thải động vật, vi sinh vật) mà chúng có thể được sử dụng làm nhiên liệu hay đưa vào sản xuất công nghiệp. Khoa Hóa Học & CNTP 10 Chuyên ngành Hóa Dầu [...]... thu hồi giảm Như vậy nhiệt độ có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình nhiệt phân, nhiệt độ thích hợp có thể chọn cho quá trình nhiệt phân biomass là 400oC 1.3.2 Ảnh hưởng của độ ẩm nguyên liệu đến quá trình nhiệt phân [7] Khoa Hóa Học & CNTP 21 Chuyên ngành Hóa Dầu Đề tài khoa học cấp trường Trường ĐH BR-VT Nhiệt phân ở điều kiện nhiệt độ tối ưu là 400 oC, giữ cố định các thông số gia nhiệt với tốc độ 5oC/phút,... lỏng giảm dần từ 89,8cSt xuống 62,6cSt khi nhiệt độ nhiệt phân tăng dần Khi biomass tham gia nhiệt phân tại 300oC, đầu tiên biomass sẽ bị phân cắt thành các cấu tử trong phân đoạn lỏng,nhưng với nhiệt độ này chưa đủ để biomass phân cắt hết Sau đó tăng nhiệt độ lên thì lỏng thu được nhiều hơn, và đạt tối ưu tại 400oC Khi nhiệt độ tiếp tục tăng thì bản thân các cấu tử ở phân đoạn lỏng bị phân cắt thành... các loại nguyên liệu Biomass khác nhau trong thiết bị nhiệt phân tầng cố định [7] Với điều kiện nhiệt phân thích hợp là 400oC, độ ẩm 15%, ta khảo sát quá trình nhiệt phân với các nguồn nguyên liệu biomass khác như trấu, bã mía, lõi bắp, mùn cưa Khoa Hóa Học & CNTP 22 Chuyên ngành Hóa Dầu Đề tài khoa học cấp trường Trường ĐH BR-VT Hình 1.11.Ảnh hưởng của nguyên liệu lên hiệu suất thu hồi sản phẩm Kết quả... kiện tốt nhất khi nhiệt phân không xúc tác Các xúc tác được sử dụng là KOH/γ-Al2O3, Zeolit 3A, Bentonit/H+ Khảo sát ảnh hưởng của các xúc tác lên thành phần của bio-oil b) Phương pháp nghiên cứu Thực hiện việc chuyển hóa trên bằng phương pháp nhiệt phân thu lỏng, thiết bị nhiệt phân là thiết bị nhiệt phân tầng cố định, làm lạnh bằng thiết bị ngưng tụ và sinh hàn ống xoắn 2.1.2 Nguyên liệu, hóa chất;... phản ứng với nguyên liệu là hạt cao su, ta khảo sát quá trình nhiệt phân trên các nguyên liệu khác Các nguyên liệu được khảo sát thêm là vỏ trấu, mùn cưa, bã mía, lõi ngô Nguyên liệu được chuẩn bị sơ bộ, sau đó cân 100g nguyên liệu cho Khoa Hóa Học & CNTP 19 Chuyên ngành Hóa Dầu Đề tài khoa học cấp trường Trường ĐH BR-VT vào thiết bị nhiệt phân Rồi làm các bước tương tự như khi nhiệt phân với hạt cao... nghiền nát nhập liệu vào thiết bị phản ứng, ta có được hiệu suất sản phẩm lỏng cùng các thông số và độ nhớt và nhiệt độ chớp cháy của sản phẩm lỏng o 300 C o 350 C o 400 C o 450 C Hình 1.8 .Dầu nhiệt phân thu được Khoa Hóa Học & CNTP 20 Chuyên ngành Hóa Dầu Đề tài khoa học cấp trường Trường ĐH BR-VT Bảng 1.2.Hiệu suất thu hồi sản phẩm lỏng, độ nhớt, nhiệt độ chớp cháy ở các chế độ nhiệt phân STT 1 2 3... gia nhiệt là chậm, và chủ yếu là khí ở nhiệt độ cao, cao hơn 800 oC, và tốc độ gia nhiệt nhanh Ở một nhiệt độ trung gian và dưới tốc độ gia nhiệt cao tương ứng, sản phẩm chủ yếu là bio-oil Khoa Hóa Học & CNTP 24 Chuyên ngành Hóa Dầu Đề tài khoa học cấp trường Trường ĐH BR-VT Bảng 1.3 Các điều kiện phản ứng và thành phần sản phẩm nhiệt phân Quá trình Thời gian Nhiệt độ o phản ứng C Tốc độ tăng Sản phẩm... đồ cấu trúc phân tử của lignin b) Sản xuất bio-oil bằng phương pháp nhiệt phân Trường hợp nhiệt phân biomass, nhìn chung toàn bộ quy trình qua một loạt các hướng phản ứng phức tạp hoặc được chia thành 4 khoảng: Khi nhiệt độ < 220oC thì ẩm bay hơi, 220-315oC phần lớn sự phân hủy hemicellulose, 315400oC cho sự phân hủy celluolose, > 400oC cho sự phân hủy lignin Nhiệt phân cellulose tinh khiết thành levoglucosan,... công tắc gia nhiệt, tốc độ gia nhiệt là 5 o C/phút Nhập liệu1 00 gam nhân hạt cao su đã được nghiền Tiến hành nhiệt phân đến khi không còn giọt lỏng nào xuất hiện trong khoảng 30 phút Cân hai hộp nhựa dùng để chứa sản phẩm lỏng 1.2.4 Khảo sát quá trình nhiệt phân trên các nguyên liệu Biomass khác nhau trong thiết bị nhiệt phân tầng cố định Sau khi khảo sát điều kiện độ ẩm của nguyên liệu, nhiệt độ phản... phẩm nhiệt độ nhiệt chính phân Carbon hóa Giờ-ngày 300 – 500 Rất chậm Than Carbon hóa áp 15 phút – 2 450 Trung bình Than suất giờ Nhiệt phân chậm Giờ 400 – 600 Chậm Than, lỏng, khí Nhiệt phân chậm 5 – 30 phút 700 – 900 Trung bình Than, khí Nhiệt phân nhanh 0,1 – 2 giây 400 – 650 Nhanh Lỏng Nhiệt phân nhanh < 1 giây 650 – 900 Nhanh Lỏng, khí Nhiệt phân nhanh < 1 giây 1000 – Rất nhanh Khí 3000 Nhiệt phân . khả năng sản xuất dầu nhiên liệu từ biomass bằng phương pháp nhiệt phân là giai đoạn đầu nghiên cứu về phương pháp sản xuất dầu nhiên liệu từ biomass bằng phương pháp nhiệt phân trong đề tài nghiên. Nghiên cứu khẳ năng sản xuất dầu nhiên liệu từ biomass bằng phương pháp nhiệt phân – giai đoạn nghiên cứu 1,được tiếp tục tối ưu các thông số để thu được dầu nhiệt phân có thể thay thế cho dầu. nhiên liệu sinh học thay thế nhiên liệu hóa thạch. Với đề tài Nghiên cứu hoàn thiện quá trình sản xuất dầu nhiệt phân từ biomass bằng phương pháp nhiệt phân , qua những cơ sở nghiên cứu đã có từ đề