Hoàn thiện công nghệ sản xuất biodiesel từ dầu thực việt nam ở qui mô pilot có công suất 100 kg trên ngày

Tóm tắt nội dung đã thực hiện trong năm 2005-2006: • +Nghiên cứu công nghệ chuyển hóa một số dầu thực vật VN thành nhiên liệu biodiesel: Dầu dừa tiền giang, dầu Gòn Tiền giang, Cao su B

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI CẤP VIỆN KH&CN VIỆT NAM

NĂM 2007-2008

Hòan thiện công nghệ sản xuất biodiesel

từ dầu thực vật Việt nam ở qui mô pilot

có công suất 100 KG/ngày

HỘI ĐỒNG NGHIỆM THU CẤP CƠ SỞ ( Viện khoa học vật liệu ứng dụng) Ngày 28 tháng 11 năm 2008

NHỮNG NGƯỜI THAM GIA

NỘI DUNG BÁO CÁO

• Nội dung KH&CN của đề tài:

• Kết quả thực hiện đề tài:

• Tính toán sơ bộ chi phí cho 1 mẻ

sản phẩm :

• Một vài kết quả thử nghiệm sản

phẩm trên động cơ:

• Kết luận.

I NỘI DUNG KH&CN CỦA ĐỀ TÀI

1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước:

2 Tình hình nghiên cứu và sử dụng trong nước

3 Khả năng phát triển ở Việt nam

4 Tóm tắt nội dung đã thực hiện trong năm 2005-2006:

5 Mục đích của nghiên cứu hòan thiện công nghệ ở qui mô pilot:

I NỘI DUNG KH&CN CỦA ĐỀ TÀI

1 Tình hình nghiên cứu trong và

I NỘI DUNG KH&CN CỦA ĐỀ TÀI

4 Tóm tắt nội dung đã thực hiện trong năm 2005-2006:

• +Nghiên cứu công nghệ chuyển hóa một số dầu thực vật VN thành

nhiên liệu biodiesel: Dầu dừa (tiền giang), dầu Gòn( Tiền giang), Cao su (Bình phước), Trẩu (Hà giang) Sở ( Hà giang), Cọ núi(Hà giang), Hạt cải (Hà giang), Bông vải( Ninh thuận), Dầu Đậu nành (Đồng nai), Cọ (Malaixia), Cải dầu ( Rape-Đức)

• +Nghiên cứu các chỉ số hóa lý của các mẫu dầu nói trên theo các

tiêu chuẩn quốc tế về biodiesel: độ nhớt, tỷ trọng, nhiệt lượng, nhiệt chớp cháy, chỉ số cetan( phương pháp tính tóan), hàm lượng etyleste, hàm lượng Mono, Di-triglyxerit trong etyleste, hàm lượng nước, chỉ số axit, bazo, iod, chỉ số ổn định oxy hóa,

• +Động học và cơ chế phản ứng Transeste hóa

• +Các lọai xúc tác cho phản ứng transeste hóa

• +Điều kiện phản ứng trong phòng thí nghiệm: tỷ lệ các chất tham

gia phản ứng, hàm lượng và thành phần xúc tác, nhiệt độ phản ứng, thời gian phản ứng

• +Nghiên cứu phụ gia chống oxy hóa

• +Nghiên cứu phối trộn thành các mẫu tiêu chuẩn từ các lọai dầu

khác nhau:

I NỘI DUNG KH&CN CỦA ĐỀ TÀI

5 Mục đích của nghiên cứu hòan thiện công nghệ ở qui mô pilot:

• + Đề xuất thiết kế chế tạo thiết bị và xây dựng pilot sản

xuất BIODIESEL từ các lọai dầu thực vật Việt nam khác nhau có qui mô 100kg sản phẩm/ ngày.

• + Xác định các thông số công nghệ trên qui mô pilot đã

II KẾT QUẢ THỰC HIỆN

ĐỀ TÀI

Gia công và lắp đặt thiết bị

• Toàn cảnh pilot:

SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ(2)

1 Lò dầu: Dầu truyền nhiệt được chứa

trong nồi thép, bên ngòai có vỏ bảo ôn

(Phần thiết kế dưới đây) Lò được cấp

nhiệt bằng than đá Bên trong có hệ

thống cấp nhiệt bằng điện để ổn định

nhiệt độ dầu, phòng trường hợp hết

than, chưa kịp cháy…được gắn với rơ

le nhiệt để điều khiển nhiệt độ theo chế

độ công nghệ Dầu được bơm B1 bơm

qua vỏ áo của nồi phản ứng và nồi cất

chân không Sau khi dầu vào đầy vỏ áo

của nồi phản ứng( nồi cất chân không),

được trả về lò dầu và tiếp tục lấy nhiệt

cung cấp cho nồi phản ứng Nhiệt độ

của dầu được nâng lên tối đa là 130 oC

Nhiệt độ bắt đầu cho qua bình

phản ứng ở vùng 70-90 oC

SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ(3)

2 Nồi phản ứng (PU): Nồi phản

ứng bằng inox, được chế tạo hai lớp:

lớp trong chứa dầu thực vật, lớp

ngòai (vỏ áo) chứa dầu tải nhiệt,

bằng inox chịu nhiệt và axít Dầu

thực vật và Metanol được bơm B2

bơm vào nồi phản ứng theo số liệu

cho trước Công suất tối đa của nồi

phản ứng là 150Kg/ mẻ Tỉ lệ

metanol/ dầu là 15-20% Sau

khi đã nạp liệu, máy khuấy bắt đầu

làm việc và nhiệt độ dầu tải nhiệt đã

đạt yêu cầu, mở các van và bơm B1

để cho dầu qua vỏ áo của nồi phản

ứng

SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ(4)

Khi nhiệt độ của nguyên liệu trong nồi phản ứng đã đạt 40-60oC, mở bơm B3 để bơm axít vào nồi phản ứng với vận tốc 1lít (1,86kg)/giờ Lượng axít tùy theo từng lọai dầu, biến thiên từ 1-1,5 lít cho một mẻ 50kg Sau 03 giờ, tính từ thời điểm bắt đầu cung cấp axít vào nồi phản ứng, lấy mẫu đo độ nhớt

Tiếp tục lấy mẫu sau mỗi giờ cho đến khi độ nhớt không đổi

(Trong thực nghiệm, nếu tiếp tục tăng thời gian phản ứng sau 6-7 giờ, độ nhớt không thay đổi nhiều.) Phản ứng kết thúc ở thời gian 5-6 giờ

Khóa bơm dầu, xả sản phẩm qua bình lắng BL.Tiếp tục cho nguyên liệu vào bình phản ứng PU, và tiến hành phản ứng như trên

Trong quá trình lắng trong thiết bị lắng BL, sản phẩm tách làm 2 pha: Pha dầu ở trên và pha glyxerin, xúc tác ở dưới Pha glyxerin được tách khỏi pha dầu, tiến hành trung hòa để nhận glyxerin thô và Na2SO4 Phần dầu được đưa lên bình rửa R

SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ(5)

Rửa biodiesel:

Nguyên tắc rửa như sau: Cho 100kg sản phẩm (Ester) vào bình rửa

Bơm nước muối bảo hòa vào bình R

theo tỷ lệ Dầu/nước muối = 1/ 2-2,5

Khuấy mạnh trong 30 phút, để tách

lớp, trả phần nước muối trở lại bồn

chứa Bơm nước sạch trong bồn chứa

thứ 2 vào bình rửa R với tỷ lệ như trên,

khuấy mạnh trong 30 phút, để lắng, trả

nước về bồn chứa 2 Tiếp tục cho nước

sạch ( nước đã xử lý) vào rửa như trên

thêm 2-3 lần Lúc này có thể thải trực

tiếp ra ngòai Nước rửa trong hai bồn

chứa, sau một thời gian làm việc, phải

kiểm tra lại độ pH, nếu pH quá thấp(

4-5) cần trung hòa trước khi sử dụng

SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ(6)

Hệ thống rửa nhìn theo chiều dọc

Hệ thống rửa nhìn theo

chiều ngang

Hệ thống làm lạnh: được chế tạo theo dạng ống lồng trong bình nước lạnh ra vào liên tục Để có thể hạn chế tối đa sự thất thoát, đặc biệt khi chưng cất dung môi, bên trong bình chứa sản phẩm có đặt một ống xoắn ruột gà, cấp lạnh bằng một máy lạnh sâu, có thể đưa nhiệt độ nước làm lạnh xuống khoảng -15 oC

Máy lạnh sâu: được thiết kế từ một giàn lạnh của máy điều hòa nhiệt độ dân dụng của hãng National, có công suất 0,75 KW Buồng nước bằng inox có kích thước 0,7m x 1,25m

x 0,3m Trong trường hợp cất biodiesel, nhiệt độ bay hơi của sản phẩm cao nên không cần dùng máy lạnh sâu mà chỉ cần cấp nước giải nhiệt bình thường Độ thất thoát trong trường hợp này được xác định khoảng 0,005%

Bơm chân không: Hàng của Nhật, model: KRP 1800 Seri: 1974690384 với các tính năng sau:- Công suất: 2.2 KW- Tốc độ vòng quay: 430 vòng/phút- Lưu lượng KK: 1500 lít/ phút.- Chân không tối đa: 0,005 mmHg.- Thể tích dầu CK: 5 lít

SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ(8)

Hệ thống cất chân không

Nghiên cứu công nghệ

được, có màu vàng sáng đến vàng nâu:

CHỌN CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ(1)

• 1: Xúc tác:

Chúng tôi đã chọn xúc tác là H2SO4 vì những lý do sau đây:

phẩm.XT nằm ở pha glyxerin, sau phản ứng có thể tách ngay khỏi biodiesel.

dùng làm khan khi loại nước khỏi biodiesel, có thể thu hồi và tái chế.

(Báo cáo Tổng kết năm 2005-2006)

CHỌN CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ(2)

• 2:Tỷ lệ các chất tham gia phản ứng:

a/Me-OH/VO

• Theo lý thuyết, 3 mol alcohol và 1 mol triglyxerit cho ta 3 mol este, 1 mol

glixerin Ngoài ra, tùy thuộc vào các loại dầu khác nhau, chất lượng khác nhau

và sử dụng alcohol khác nhau, với hiệu suất este trong vòng 93-98%, người ta

sử dụng tỷ lệ từ 6:1 đến 1:1 Thậm chí có những nghiên cứu với tỷ lệ 30:1 hay 15:1, nhưng hiệu suất vẫn nằm trong giới hạn 93-98%.[Báo cáo tổng kết 2005- 2006].

• Tùy thuộc vào loại dầu, tỷ lệ này có khi là 15 hay 16% [Báo cáo tổng kết

2005-2006] Các tính toán của chúng tôi cho thấy lượng Metanol thực sự tham gia tạo thành Este chỉ chiếm 12% lượng dầu, phần còn lại là dư thừa Vì vậy, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu thay đổi tỷ lệ Metanol/dầu là 20%

(10kg/50kg) Để không bị mất metanol trong quá trình phản ứng

• Tỷ lệ tối ưu trong quá trình sản xuất ở qui mô pilot là 20% so với nguyên liệu

cho vào (50kg VO).Tỷ lệ trên được giữ nguyên cho những thí nghiệm có khối lượng lớn gấp 2 lần (135kg), vẫn cho sản phẩm có chất lượng tốt ( độ nhớt của sản phẩm từ dầu gòn là 7, từ dầu dừa là 5, từ dầu cao su là 7mm2/s)

CHỌN CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ(3)

• 2:Tỷ lệ các chất tham gia phản ứng:

b/H2SO4/MeOH +VO

• Đối xúc tác H2SO4, chúng tôi thấy ở vùng 3-3,5 kg trên tổng nguyên liệu (10

kg MeOH, 50Kg VO) là tối ưu.Các thí nghiệm với khối lượng nguyên liệu

nhiều gấp 2 lần (135Kg), tỷ lệ trên vẫn bảo đảm cho sản phẩm có chất lượng tốt ( độ nhớt của sản phẩm từ dầu gòn là 7, từ dầu dừa là 5, từ dầu cao su là 7

mm2/s) Tăng lượng xúc tác nhiều hơn không tốt Vận tốc xúc tác tối ưu là

0,5-1 lít/giờ.

Phương pháp khảo sát độ nhớt động học tại pilot

Độ nhớt động học được xác định bằng nhớt

kế OSWALD và tính độ nhớt tại thời điểm

lấy mẫu theo công thức ν = C.t ( C= 0,350)

Kết quả khảo sát độ nhớt động học với thời gian phản ứng (1):

62 47 34 22 22 21 21

Độ nhớt động học(mm2/s)

45,48 21,70 16,45 11,90 7,70 7,70 7,35 7,35

Kết quả khảo sát độ nhớt động học với thời gian phản ứng(2):

100 60 53 44 34 32 30 22 20

Độ nhớt động học(mm2/s)

57,75 35,00 21,00 18,55 15,40 11,90 11,20 10,50 7,70 7,00

ν sau khi cất 6,87

ν sau khi cất 6,87

2 Dầu Gòn thô

Kết quả khảo sát độ nhớt động học với thời gian phản ứng (3):

115 80 55 44 42 32 27 23 22

Độ nhớt động học(mm2/s)

60,20 40,25 28,00 19,25 15,40 14,70 11,20 9,45 8,05 7,70 ν sau khi cất 4,92

3 Dầu cao su thô

Kết quả khảo sát độ nhớt động học với thời gian phản ứng (4):

Sự phụ thuộc giữa độ nhớt động họccủa sản phẩm thô

và thời gian phản ứng

0 10 20 30 40 50 60 70

Bằng thực nghiệm, xác định độ nhớt của sản phẩm phản ứng theo từng khoảng thời gian, và từng lọai dầu khác nhau Chúng tôi thấy thời gian phản ứng cho độ nhớt tốt nhất của các lọai dầu như sau:

- Dầu dừa: 5 giờ

- Dầu gòn: 8-10 giờ

- Dầu cao su: 8-10 giờ.

Dầu cao su

Dầu GònDầu dừa

Kết quả khảo sát độ nhớt động học với nhiệt độ

Dầu gòn thô (mm2/s)

57 35 21 18 15 12 11 10 8 7 7

Dầu cao su thô (mm2/s)

60 40 28 19 15 14 11 9 8 7 7

Kết quả khảo sát độ nhớt động học với Nhiệt độ

phản ứng (6):

Khi tiến hành trong phòng thí nghiệm với khối lượng nguyên liệu đến khỏang 2 kg, đã xác định vùng nhiệt độ tối ưu cho phản ứng traneste hoá cho hầu hết các loại dầu thực vật Việt nam (dầu Dừa, dầu Sở, dầu Cao su, dầu Gòn, dầu Cải Hà giang, dầu Đậu nành )

là 70-90 oC.

Khi tiến hành phản ứng trong pilot, với khối lượng nguyên liệu 130Kg, nhiệt độ phản ứng nằm trong khoảng 50 -110 oC là phù hợp với công nghệ sử dụng H2SO4 làm xúc tác.

Nhiệt độ ban đầu trong nồi phản ứng là 35- 40 oC, trong điều kiện khấy liên tục, và cho axít vào, sẽ tăng dần đến 50-60 oC Lúc này,

độ nhớt của sản phẩm bắt đầu giảm đáng kể (khỏang 50%)

Kết quả khảo sát độ nhớt động học với Nhiệt độ phản ứng(7):

Sự phụ thuộc giữa độ nhớt của sản phẩm

với nhiệt độ phản ứng

0 10,000

0,886 0,890 0,873

0,858 0,846 0,852

-Độ nhớt:3,709 mm 2 /s

Tương tự như mẫu Bio-4 sẽ xét ở sau.

Tính toán sơ bộ chi phí cho 1 mẻ sản phẩm (1):

• 1.CHI PHÍ NĂNG LƯỢNG CHUNG

• Năng lượng điện cho toàn pilot:18- 20 kw

= 18.000 đồng

• Năng lượng than đá: 10 Kg x 5.000 đ =

50.000 đồng

• Tổng: 68.000 đồng

• 2.CHI PHÍ CHO NGUYÊN VẬT LIỆU

Thành phần Số lượng Xuất xứ Đơn giá (đồng) Thành tiền

21.000/kg 40.000/kg 33.000/kg

2.100.000 800.000 99.000

2.999.000

Tính toán sơ bộ chi phí cho 1 mẻ sản phẩm(2):

3: CHI PHÍ NĂNG LƯỢNG VÀ NGUYÊN LIỆU CHO 1 MẺ:

3.067.000 đồng

4 CHI PHÍ PHỤ GIA:

Các lọai phụ gia cần thiết(2-5%):50.000 đg

Tổng chi phí cho sản phẩm: 3.117.000 đg.Sản phẩm thu

Biodiesel: 100,26 lít

Tạm tính giá bán: 12.000/kg

Tổng thu : 1.203.312 đg

Tính toán sơ bộ chi phí cho 1 mẻ sản phẩm(3):

NHẬN XÉT

-Giá Diesel hiện tại trên thị trường là 13.000 đ/lít Giả sử chỉ bán ra 12.000đg/lít.

- Chi phí sơ bộ NVL và năng lượng là khá cao so với sản phẩm thu được.

- Nếu chỉ tính nguyên vật liệu và năng lượng thì việc sản xuất biodiesel như

trên đã lỗ đến 1.913.688 đồng cho một mẻ 100kg./ngày.

-Nếu tính đủ các chi phí khác như công lao động, khấu hao thiết bị, bao bì,

thuế…thì giá trị phải bù lỗ là rất lớn.

Như vậy, việc sản xuất biodiesel liệu có mang lại hiệu quả kinh tế thực sự hay không? Để lý giải vấn đề này, chúng tôi đã nghiên cứu một số thông số quan trọng để đi đến kết luận.

Tính toán sơ bộ chi phí cho 1 mẻ sản phẩm(4):

PHÂN TÍCH CÁC THÔNG SỐ KINH TẾ.

Công nghệ: Công nghệ ổn định, hiệu suất cao và chất lượng đạt tiêu chuẩn EU

và TCVN Trên nền pilot hiện tại, có thể nâng công suất lên 10 lần (1 tấn

/ngày) mà kinh phí tăng lên không đáng kể

Những thông số về năng lượng chỉ chiếm 2,2% tổng chi phí

Những số liệu về MeOH, xúc tác, phụ gia chỉ chiếm 30,4% và đây là những số liệu đã được tối ưu, không thể giảm hơn nữa, cộng với 2,2% chi phí năng

lượng, cho tổng chi phí tối thiểu là 32,6%, tương ứng với giá trị tiền là

1.017.000 đồng So với giá bán sản phẩm là 1.203.000 đồng, để không lỗ, giá nguyên liệu phải là 2.000 đồng/kg

Nguyên liệu chiếm 67,4% tổng chi phí, được tính theo giá thực tế là 21.000 đồng, cao gấp 10 lần so với giá cần thiết phải có

Tính toán sơ bộ chi phí cho 1 mẻ sản phẩm(5):

Từ các số liệu phân tích trên đây cho thấy, không thể sản xuất biodiesel chỉ dựa trên một sản phẩm duy nhất Một số sản phẩm phụ thu được trong quá trình sản xuất biodiesel cũng cần được tận thu để nâng cao hiệu quả kinh tế của dây chuyền công nghệ, như:

- 10 % dầu cặn đáy sử dụng như dầu FO, có giá khỏang 6-7 ngàn đồng/lít

- Glyxerin: 22-24 kg ( 100.000 đồng kg)

- Na2SO4: 4kg – 4,5 (50.000 đồng /kg)

Tổng các sản phẩm phụ có thể thu thêm khỏang 3.000.000 đồng đưa tổng giá trị sản phẩm là 4.203.000 đồng , trong khi tổng chi phí (chỉ giới hạn trong nguyên vật liệu năng lượng ) là 3.117.000 đồng Như vậy, trong một ngày với công suất 100 kg sản phẩm chính là biodiesel, vẫn còn lời khỏang 1.086.000 đồng dùng cho các chi phí khác

Tính toán sơ bộ chi phí cho 1 mẻ sản phẩm (6):

Như đã phân tích ở trên, nếu giá nguyên liệu giảm, lợi nhuận sẽ tăng theo

tỷ lệ thuận Nếu nhập dầu cọ của malaixia ( theo nguồn của bộ thương mại, giá giao tại TPHCM trong tháng 10/2008 là 14.000 đồng/

kg bao gồm thuế), có thể giảm chi phí đến 70.000 đồng/ mẻ/100 kg sp

Nếu áp dụng công nghệ không bả thải và sử dụng hạt có dầu, giá nguyên liệu có thể giảm đến tối đa, khỏang 4-5 ngàn đồng/ kg

Khi nâng công suất lên 1000kg/ngày, các chi phí như năng lượng, xúc tác, không tăng theo tỷ lệ thuận, nên lợi nhuận sẽ tăng thêm

Một vài kết quả thử nghiệm sản phẩm trên động cơ (1):

THỬ NGHIỆM TRÊN XE GẮN MÁY 2 THÌ:

Theo yêu cầu của một doanh nghiệp ở Tiền giang, chúng tôi đã cung cấp miễn phí cho họ 5 lít sản phẩm đã cất của giai đoạn một Kết quả được doanh nghiệp trên báo lại, khi pha thêm 10 % vào xăng ( không cần pha nhớt như trước đây), các loại xe có động

cơ hai thì hoạt động khá tốt, tiếng nổ êm, máy mát, dễ nổ máy Điều này cho thấy các động xe hai thì như xe ba gác máy, xe lam, xe máy phân khối lớn, có thể pha biodiesel mà không cần pha nhớt, làm cho chi phí xăng giảm

Một vài kết quả thử nghiệm sản phẩm trên động cơ (2):

THỬ NGHIỆM TRÊN ĐỘNG CƠ MÁY PHÁT ĐIỆN:

Đã thử nghiệm trên động cơ máy phát điện có tải và nhận

thấy kết quả tốt như trong báo cáo tổng kết năm 2005-2006 Chúng ta sẽ chứng kiến tại xưởng

Một vài kết quả thử nghiệm sản phẩm trên động cơ (3):

NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ DÀI MẠCH HYDRO CÁCBON TRONG THÀNH PHẦN BIODIESEL LÊN KHÍ THẢI CỦA ĐỘNG CƠ MÁY PHÁT ĐIỆN LÀM VIỆC CÓ VÀ KHÔNG CÓ TẢI

Kết quả phân tích thành phần hóa học của các mẫu 10 % biodiesel và tổng hợp lại theo số các bon trong mạch dầu béo ( không tính gốc metyl) như sau:

C8 -

C18

Một vài kết quả thử nghiệm sản phẩm trên động cơ (4):

CO ( có tải)

200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700

Khi không tải: có thể thấy rất rõ rằng, nếu pha 10 % biodiesel, không phụ thuộc vào độ lớn của

mạch hydrocacbon, hàm lượng CO tăng cao hơn hẵn so với diesel dầu mỏ Điều này phù hợp với công bố trước đây [6], rằng hàm lượng CO chỉ giảm so với diesel dầu mỏ nếu pha 5% hoặc 15% biodiesel Các tỷ lệ khác sẽ cho hàm lượng CO cao hơn so với diesel dầu mỏ

Khi có tải: độ dài mạch hydrocacbon đã ảnh hưởng đến hàm lượng CO trong khí thải, cụ thể ở

đây là các mẫu Bio-1 và Bio-2 với thành phần mạch hydrocabon C8-C16 là chủ yếu( 95% và 65% tương ứng) Khi thành phần mạch hydrocacbon C18-C20 tăng lên, hàm lượng CO cũng tăng theo đáng kể