Động cơ đốt trong với nhiên liệu sinh học (biofuel)

Động cơ đốt trong với nhiên liệu sinh học (biofuel)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHI ĐỘNG LỰC  -BÀI TIỂU LUẬN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG VỚI NHIÊN LIỆU SINH HỌC (BIOFUEL) Đề Tài : GVHD: Nguyễn Văn Trạng Động đốt với nhiên liệu sinh học TP.HCM, Tháng 11 Năm 2017 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN …………… , Ngày tháng năm 2017 Giáo viên hướng dẫn Động đốt với nhiên liệu sinh học MỤC LỤC DANH MỤC VIẾT TẮT LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SINH HỌC I/ VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG HIỆN NAY: 1/ Thế giới cần ngày nhiều lượng: 2/ Tính cấp thiết phát triển lượng sinh học Việt Nam: 3/ Dự báo nhu cầu - đáp ứng lượng Việt Nam đến năm 2010 2020: .8 II/ NHIÊN LIỆU SINH HỌC LÀ GÌ? III/ ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA NHIÊN LIỆU SINH HỌC 1/ Ưu điểm mặt môi trường: 2/ Ưu điểm mặt kinh tế: 10 3/ Nhược điểm: 12 IV/ TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN CỦA NHIÊN LIỆU SINH HỌC 12 1/ Tình hình sản suất sử dụng nhiên liệu sinh học giới: 12 1.1/ Giới thiệu chung: 12 1.2/ Các nước thuộc khối EU 15 1.3/ Các nước khác EU: 22 1.4/ Châu Mỹ 26 1.5/ Khối Đông Âu 29 1.6/ Phát triển biofuel nước khu vực 30 2/ Tình hình nghiên cứu, đầu tư sách phát triển nhiên liệu sinh học Việt Nam: 34 CHƯƠNG MỘT SỐ NHIÊN LIỆU SINH HỌC 36 I/ CỒN SINH HỌC (BIOETHANOL) 36 2/ Sản xuất bioethanol: 36 II.1.2 Lợi ích môi trường .39 II/ DIESEL SINH HỌC (BIO DIESEL) 39 1/ Định nghĩa: 39 2/ Đặc tính biodiesel .40 2.1/ Tính chất vật lý: 41 2.2/ Tính chất hóa học: .42 3/ Sản xuất biodiesel: .43 Động đốt với nhiên liệu sinh học 1.5.1 Giới thiệu biodiesel (BD) 43 1.5.2 Các nguồn nguyên liệu để sản xuất BD 49 1.5.2 Công nghệ sản xuất Biodiesel 52 4/ Lợi ích việc sử dụng Diesel sinh học: 63 II/ KHÍ SINH HỌC (BIOGAS) 65 1/ Giới thiệu chung: 65 2/ Công nghệ sản xuất biogas: 65 LỜI MỞ ĐẦU Nhu cầu lượng loài người diện cách hàng trăm ngàn năm, người biết dùng lửa hoạt động hàng ngày để nướng thịt, đuổi thú dữ, đốt rừng làm rẫy Kể từ đó, nguồn lượng từ vật rắn gỗ ngày trở nên quan trọng, có hai tỉ người giới dùng chất rắn gia đình để nấu nướng sưởi ấm mùa đơng Năng lượng có vai trò quan trọng phát triển kinh tế xã hội An ninh quốc gia, an ninh kinh tế gắn liền với an ninh lượng quốc gia Vì sách phát triển kinh tế, xã hội bền vững, sách lượng nên đặt lên hàng đầu Vào kỷ 19, gỗ nguồn lượng làm máy chạy nước phổ thông ngành chuyên chở, giúp phát triển mạnh công nghiệp giới Sau đó, người chế tạo máy phát điện cung cấp nguồn điện có nhiều cơng dụng cho đời sống hàng ngày thay dần máy chạy nước Khi tìm thấy nguồn nhiên liệu trầm tích than đá, dầu hỏa khí đốt, người tăng tốc sử dụng loại lượng không tái tạo để chạy máy nổ, chủ yếu ngành vận tải, nhiệt điện Loại nhiên liệu thể lỏng (xăng dầu) trở Động đốt với nhiên liệu sinh học nên thông dụng ngành chuyển vận có tỉ trọng lượng cao, dễ sử dụng loại nhiên liệu khí rắn, từ nguồn lượng rắn sử dụng giảm dần Theo tính tốn chun gia kinh tế lượng, dầu mỏ khí đốt chiếm khoảng 60-80% cán cân lượng giới Với tốc độ tiêu thụ trữ lượng dầu mỏ có, nguồn lượng nhanh chóng bị cạn kiệt vòng 40- 50 năm Diễn biến phức tạp giá xăng dầu gần nhu cầu dầu thô ngày lớn bất ổn trị nước sản xuất dầu mỏ Để đối phó tình hình đó, cần tìm nguồn lương thay thế, ưu tiên hàng đầu cho nguồn lượng tái sinh thân thiện với môi trường Trong số nguồn lượng thay dầu mỏ sử dụng (năng lượng gió, lượng mặt trời, lượng hạt nhân,…), lượng sinh học xu phát triển tất yếu, nước nông nghiệp nhập nhiên liệu, lợi ích như: công nghệ sản xuất không qua phức tạp, tận dụng nguồn nguyên liệu chỗ, tăng hiệu kinh tế nông nghiệp, không cần thay đổi cấu trúc động sở hạ tầng có giá thành cạnh tranh so với xăng dầu.Nhiên liệu sinh học dạng nhiên liệu có nguồn gốc động thực vật khác với dạng nhiên liệu hóa thạch hình thành trình phân hủy xác sinh vật hàng triệu năm Hiện giới phổ biến dầu diesel sinh học ethanol… CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SINH HỌC I/ VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG HIỆN NAY: 1/ Thế giới cần ngày nhiều lượng: Dân số giới tăng từ số tại, khoảng 6,3 tỉ người lên tới tỉ người vào năm 2050 Mức độ phồn thịnh trung bình tồn cầu ngày cao Càng nhiều người mức sống cao có nghĩa khơng tránh khỏi sử dụng lượng nhiều Các nước phát triển cần nhiều lượng hết để đáp ứng yêu cầu tăng cao mức Động đốt với nhiên liệu sinh học sống Theo số kịch bản, vào năm 2050 mức tiêu thụ lượng tồn cầu tăng gấp đơi, điều cao Hiện tại, tính tồn cầu, mức lượng sử dụng hàng ngày tương đương với khoảng 200 triệu thùng dầu mỏ (khoảng 10 tỷ tấn/năm) Trong số này, có khoảng 80% lượng có nguồn gốc lượng hóa thạch (dầu mỏ, khí đốt, than đá) Năng lượng hạt nhân, thủy điện, lượng sinh học chiếm gần 20% lại Trong đó, thực tế lượng tái tạo (thủy điện, gió sinh học truyền thống gỗ, chất thải nông nghiệp) chiếm 10% Tỷ lệ tăng sử dụng lượng trung bình hàng năm giới khoảng 1,5 - 2,0% Điều có nghĩa khối lượng dầu mỏ khai thác phải tăng lên thêm hàng ngày 1,5 triệu thùng Ngành dầu mỏ tồn cầu phải hoạt động hết cơng suất, đồng thời phải ln tìm kiếm hội đầu tư thêm việc mở mỏ để bù đắp lại thất thoát tự nhiên khai trường (tổng mức thất đơi lên tới - 5%/ năm, tương ứng khối lượng dầu khai thác 3,5 triệu thùng/ ngày) Trong năm tới ngành dầu mỏ tồn cầu phải tăng thêm cơng suất tương ứng với mức khai thác 28,5 triệu thùng/ ngày (gấp lần mức khai thác Ả rập Xê út) Vào thời điểm nay, ngành lượng giới đứng trước ba nhiệm vụ: * Tăng sản lượng lượng hóa thạch loại lượng khác Vào năm 2050, nhu cầu lượng tương đương 400 thùng dầu/ngày (một nửa số lượng hóa thạch) * Phải quan tâm phát triển đồng thời nguồn lượng * Giảm thải tác hại gây ô nhiễm môi trường khai thác sử dụng lượng hóa thạch, đồng thời giảm tác nhân gây tăng hiệu ứng nhà kính để bảo vệ mơi trường Trữ lượng dầu mỏ giới khoảng 1.200 tỷ thùng, khai thác với tốc độ độ khoảng 30-35 năm Trữ lượng than đá lớn (tuy ngày khó khai thác) khai thác 250 năm Nguy giới thiếu lượng trở thành thật hiển nhiên Năng lượng hạt nhân, lượng tái tạo (thủy điện, sinh học) đóng vai Động đốt với nhiên liệu sinh học trò ngày lớn Năng lượng tái tạo nguồn gốc sinh học có ý nghĩa định khơng thể đốt cháy giai đoạn Cần phải có thời gian phát triển, thời gian 10 - 20 năm 2/ Tính cấp thiết phát triển lượng sinh học Việt Nam: Phát triển ngành lượng biện pháp hỗ trợ thúc đẩy tăng trưởng kinh tế Nhu cầu lượng tăng trưởng kinh tế, cơng nghiệp hóa, thị hóa tồn cầu hóa thương mại định Từ tới năm 2010, cung cấp lượng Việt Nam cần phảI tăng nhanh GDP 30% Mặc dù có thay đổi lớn năm gần Việt Nam nước có mức sử dụng lượng thấp châu Á Năm 1996 tiêu thụ lượng đại đầu người tương đương 144 kg quy dầu mỏ (bằng 1/7 Thái Lan) tiêu thụ điện khoảng 161 kWh thấp nước phát triển Nếu tăng trưởng GDP hàng năm trung bình 6% từ năm 2001 7,5% từ 2001 trở mức tiêu thụ lượng phải tăng với tốc độ trung bình 9% Đến năm 2010 tổng nhu cầu lượng gấp lần mức năm 1997 Nhu cầu điện tăng lần, sản phẩm xăng dầu tăng 2,5 lần Nhu cầu khí đốt tăng gần 10 lần nhu cầu nước than tăng gấp đôi Cho tới Việt Nam chưa sử dụng triệt để nguồn tài nguyên lượng Ngành lượng Việt Nam đứng trước nhiều thách thức, chủ yếu bốn thách thức trình chuyển sang cơng nghiệp hóa đại hóa Thứ nhất, để đạt tiêu tăng trưởng kinh tế, từ tới năm 2010, cung cấp lượng Việt Nam cần phải tăng nhanh GDP 30%, điện phải tăng nhanh 70% Để đạt tốc độ tăng trưởng đó, cung cấp lượng phải có hiệu - đến năm 2010 phải tiết kiệm 2788 MW, tức nửa công suất lắp đặt điều thực thơng qua chương trình giảm tổn thất quản lý cầu Năng lượng phải phân bố hơn, 80% dân số Động đốt với nhiên liệu sinh học vùng nông thôn mức tiêu thụ họ chiếm 14% lượng điện cung ứng Thứ hai, Việt Nam giàu tài nguyên thiên nhiên, nguồn tài là hạn chế trữ lượng, đòi hỏi phải lập kế hoạch sử dụng cách thận trọng lĩnh vực lượng Thứ ba, Việt Nam phải đầu tư khoảng từ 5,3 - 5,5% GDP (gấp đôi mức nước láng giềng Đông Nam Á khác) vào sở hạ tầng thiết yếu cho lượng Hơn nữa, mức cấu giá lượng phải thay đổi để giải tỏa bớt sức ép tài ngắn hạn đảm bảo hiệu lâu dài định đầu tư sử dụng tài ngun Thứ tư, thu hút đầu tư nước ngồi đòi hỏi phải tạo môi trường kinh doanh thuận lợi, bao gồm khn khổ pháp lý có tính hỗ trợ Do nguồn tài hạn hẹp, chiến lược lượng Việt Nam phải nhằm vào việc sản xuất, cung cấp sử dụng lượng cách hiệu Để giảm suy thối mơi trường, cần có sách khuyến khích chuyển từ nguồn lượng truyền thống sang nguồn lượng tăng cường cung ứng loại nhiên liệu Sản xuất sử dụng Biofuel đáp ứng tiêu chí kinh tế môi trường nên cần phải phát triển 3/ Dự báo nhu cầu - đáp ứng lượng Việt Nam đến năm 2010 2020: Việt Nam có triển vọng đạt mức tăng trưởng hàng năm từ 7,5% từ tới 2010 khoảng 7,0% từ 2011 - 2020 Tỷ trọng khu vực nông nghiệp giảm dần từ 23% xuống 11% vào năm 2020, khu vực công nghiệp tăng từ 38,5% lên 44% Người ta dự tính tới năm 2010 tổng mức tiêu thụ lượng tối đa Việt Nam vào khoảng 28 - 32 triệu TOE (đương lượng dầu tính tấn), than chiếm 18%, dầu khí 57% điện 25% Mức tăng trưởng sử dụng lượng trung bình hàng năm Việt Nam vào khoảng 8,8% 10,4% Động đốt với nhiên liệu sinh học Vào năm 2020, tổng nhu cầu lượng kinh doanh Việt Nam đạt mức 53 - 63,6 triệu TOE, 15%, 56% 29% dành cho than, dầu khí, điện Mức tăng trưởng trung bình hàng năm giai đoạn 2010 - 2020 lên tới 6,6% 7,1% Trong tiêu thụ lượng chung, ngành công nghiệp chiếm thị phần lớn nhất, chiếm tỷ lệ từ 38% năm 2001 lên 42% 47% tương ứng 2010 2020 Ngành vận tải tiêu thụ mức chiếm 35% vào 2010 33% vào năm 2020 Năng lượng dành cho sinh hoạt giảm dần từ 23% năm 2001 xuống mức dự tính 19,4% 17,6% tương ứng 2010 2020 Hiện Việt Nam có tỷ lệ độc lập lượng 120 Tỷ lệ có nghĩa cán cân ngoại thương lượng thuận lợi, kim ngạch nhập 100 xuất 120, tỷ lệ quốc gia giới đạt ưu điểm nhờ dầu khí mỏ dầu khí ngồi khơi Nhưng ưu điểm khơng tồn lâu ba lý Thứ trữ lượng mỏ dầu khí ta eo hẹp Thứ hai phát triển kinh tế quy định phát triển nhu cầu lượng Với đà phát triển kinh tế nước ta nhanh nhu cầu lượng gia tăng mạnh Thứ ba nước ta giới hóa nơng nghiệp phát triển ngành kỹ nghệ tiêu thụ nhiều lượng xi măng, thép Người ta cho tiêu thụ lượng nước ta gia tăng với tỷ lệ mạnh tỷ lệ tăng trưởng kinh tế Vì ba ngun nhân đó, vài năm nước nhập siêu nhiên liệu Trung Quốc trở nên quốc gia Inđônêxia vào đường Hiện Tổng Cơng ty Dầu khí Việt Nam bắt đầu khảo sát mỏ số nước khác (như Angiêria) Việt Nam trở thành nước thiếu lượng kể từ năm 2015 trở sau II/ ĐỊNH NGHĨA NHIÊN LIỆU SINH HỌC VÀ PHÂN LOẠI Nhiên liệu sinh học (biofuel) loại nhiên liệu có nguồn gốc từ sinh khối - từ sinh vật sống sản phẩm phụ từ q trình chuyển hóa chúng (ví dụ phân gia súc) Động đốt với nhiên liệu sinh học Chúng thuộc loại lượng tái tạo (hoàn nguyên) hoàn toàn khác với loại lượng khác hóa thạch, hạt nhân Biofuel có đặc điểm bị đốt cháy giải phóng lượng hóa học tiềm ẩn Nghiên cứu tìm phương pháp hiệu để biến đổi vật liệu nguồn gốc sinh học thành điện thông qua pin nhiên liệu lĩnh vực khả quan Theo bảng phân loại Wikipedia, biofuel chia thành ba loại: - Dạng rắn (sinh khối rắn dễ cháy): củi, gỗ than bùn - Dạng lỏng : Các chế phẩm dạng lỏng nhận trình chế biến vật liệu nguồn gốc sinh học như: + Bioalcohol - loại rượu nguồn gốc sinh học, ví dụ: bioetanol từ đường mía, ngơ sử dụng làm nhiên liệu phụ gia pha xăng Braxin, Mỹ vài nước khác; biometanol (hiện sản xuất chủ yếu từ khí tự nhiên, song từ sinh khối) + Dầu mỡ loại nguồn gốc sinh học, sử dụng làm nhiên liệu chạy động diezel Ví dụ: Dầu thực vật sử dụng trực tiếp (SVO) làm nhiên liệu; Biodiezel (diezel sinh học) - sản phẩm chuyển hóa este từ mỡ động vật dầu thực vật; Phenol loại dung môi, dầu nhựa thu q trình nhiệt phân gỗ, v.v.v - Dạng khí: Các loại khí nguồn gốc sinh học sử dụng ngày phổ biến như: Metan thu từ trình phân hủy tự nhiên loại phân, chất thải nông nghiệp rác thải - biogas; Hyđrơ thu nhờ cracking hyđrocacbon, khí hóa hợp chất chứa cacbon (kể sinh khối) phân ly nước dòng điện hay thơng qua q trình quang hóa tác dụng số vi sinh vật; Các sản phẩm khí khác từ q trình nhiệt phân khí hóa sinh khối (các loại khí cháy thu trình nhiệt phân gỗ) III/ ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA NHIÊN LIỆU SINH HỌC 10 Động đốt với nhiên liệu sinh học ứng để đạt đến độ chuyển hóa hồn tồn Phản ứng chọn lọc, đòi hỏi nhiệt độ cao (trên 100 0C) Ngồi xúc tác acid có giá thành cao gây ăn mòn thiết bò phản ứng, nguyên nhân làm cho loại xúc tác sử dụng rộng rãi công nghiệp Thường ta dùng xúc tác dầu thực vật có hàm lượng acid béo tự FFA ( Free fatty acid) cao b) Xúc tác bazơ Phản ứng diễn nhanh ta dùng xúc tác acid Vì lý này, với việc xúc tác bazơ ăn mòn thiết bị acid nên loại xúc tác ưa chuộng công nghiệp, alkoxit kim loại kiềm, hidroxit muối cacbonat kali natri Phương pháp chủ yếu để sản xuất methyl ester sử dụng xúc tác bazơ phương pháp có tính kinh tế hiệu cao nhất: - Nhiệt độ áp suất thấp; - Hiệu suất cao thời gian phản ứng ngắn'; - Quá trình chuyển hóa trực tiếp; - Vận hành đơn giản thân thiện với môi trường c) Xúc tác enzyme Do tính sẵn có thân thiện với mơi trường, enzyme thủy phân ngày ứng dụng rộng rãi tổng hợp hữu Chúng có tính chọn lọc cao, tương đối ổn định chòu môi trường dung môi hữu Mặc dù phản ứng chuyển hóa este với xúc tác lipase chưa đưa vào sản xuất công nghiệp, nghiên cứu xúc tác enzyme phát triển mạnh mẽ Điểm chủ yếu cơng trình tối ưu hóa điều kiện phản ứng (dung mơi, nhiệt độ, pH, chế sinh enzyme…) để thiết lập đặc tính phù hợp để áp dụng vào sản xuất Tuy nhiên, hiệu suất phản ứng chưa hiệu ta dùng xúc tác bazơ thời gian phản ứng dài (hàng chục giờ) 44 Động đốt với nhiên liệu sinh học Hình 1.3 So sánh loại xúc tác sản xuất biodiesel 1.5.2.2 Phản ứng điều chế Biodiesel Trong dầu thực vật mỡ động vật, thành phần Triglycerit acid béo tự (lượng Triglycerit nhiều) Q trình chuyển hóa dầu mỡ thành nhiên liệu sinh học chia làm hai loại phản ứng:  Phản ứng chuyển hóa acid béo : gọi phản ứng este hóa  Phản ứng chuyển hóa Triglycerit: gọi phản ứng ancol phân a) Phản ứng este hóa Phản ứng este hóa điều chế Biodiesel phản ứng axit béo với ancol tạo thành este nước 45 Động đốt với nhiên liệu sinh học Trong trường hợp axit hay ancol có nhiều hai chức sản phẩm phản ứng monoeste polyeste tuỳ thuộc vào tỷ lệ mol sử dụng: Trong trường hợp hai chất tham gia phản ứng đa chức phản ứng xảy theo nhiều chiều hướng khác Thông thường người ta áp dụng loại phản ứng việc tổng hợp polyme polyeste Các phản ứng thuận nghịch Khi tiến hành điều kiện thường, không xúc tác, phản ứng xảy chậm Thậm chí gia nhiệt đến nhiệt độ cao (200 oC – 300oC) phản ứng xảy chậm Khi có diện xúc tác acid Bronsted mạnh H2SO4 , HCl phản ứng este nhiệt độ 70 oC – 150oC xảy với tốc độ cao Phương pháp thường sử dụng để tổng hợp nhiều este hiệu suất thu cao tinh chế sản phẩm dễ dàng Các xúc tác acid Lewis dị thể Al 2O3 , AlCl3 cho kết tốt phản ứng phải tiến hành pha khí Chính mà phương pháp tốn sử dụng để điều chế este đặc biệt mà phương pháp phản ứng pha lỏng không đáp ứng Nước sinh trình phản ứng làm giảm tốc độ hoạt tính xúc tác nên để tăng khả phản ứng người ta thường sử dụng dẫn xuất axit : anhydryt axit, clorua axit 46 Động đốt với nhiên liệu sinh học Mạch hydrocacbon axit béo dài khả phản ứng giảm Tương tự, bậc mức độ phân nhánh mạch ancol cao giảm khả phản ứng b) Phản ứng ancol phân: Phản ứng ancol phân điều chế Biodiesel phản ứng rượu este dạng TriGlyxerit thành este rượu Glyxerin Phương trình phản ứng tổng qt: Trong R1,R2,R3 mạch hydrocacbon mạch dài Đây loại phản ứng thuận nghịch tốc độ phản ứng phụ thuộc nhiều vào chất nồng độ loại xúc tác sử dụng, nhiệt độ phản ứng, tỷ lệ tác chất, tốc độ khuấy trộn thời gian phản ứng Đã có nhiều chế phản ứng đề nghị chế sau ứng dụng rộng rãi  Với xúc tác kiềm Giai đoạn phản ứng phản ứng bazơ với ancol tạo anion ancolat xúc tác proton hóa: ROM RO- + M+ MOH + ROH RO- + H2O + M + M 2CO3 + ROH RO- + HMCO3 + M+ 47 Động đốt với nhiên liệu sinh học Anion ancolat công lên nguyên tử cacbon nhóm C=O este O O R3 O O O  O O R3  O  O- O OR O R R1 O O R2 O R1 R3 R2 O R3 O O H O O R2 + - OR O O RO H + -O R1 O R O R2 O R – Nhóm ankyl phân tử ancol R1,R2,R3 – Gốc axit béo M – K,Na Anion deproton hóa xúc tác giải phóng kim loại kiềm trạng thái hoạt động để bắt đầu công phân tử ancol Cứ vòng tuần hòan phản ứng thực Năng lượng hoạt hóa lượng cần thiết để tạo liên kết anion (–OR) với nhóm cacbonyl Các nhóm R hay R’ có xu hướng làm thay đổi tính chất nhóm C=O cần tạo điều kiện dễ dàng cho phản ứng tạo cách giảm lượng hoạt hóa Năng lượng hoạt hóa phản ứng ancol phân Methanol có giá trị khoảng – 20 Kcal/mol Hằng số tốc độ phản ứng k tăng theo nhiệt độ TriGlyxerit (TG), 48 Động đốt với nhiên liệu sinh học DiGlyxerit MonoGlyxerit cho chiều thuận chiều nghịch Tuy nhiên, số tốc độ phản ứng tạo Glyxerin giảm theo thời gian Giá trị kt – số tốc độ phản ứng theo chiều thuận- nhiệt độ 600C tuân theo thứ tự sau: kMGt > kDGt > kTGt Phản ứng ancol phân với xúc tác kiềm xảy với vận tốc lớn nhiệt độ thường Tuy nhiên có lợi chất béo sử dụng có hàm lượng axít béo tự thấp hỗn hợp thật khan Nếu hỗn hợp chứa nhiều nước axit béo tự xà phòng hình thành làm hoạt tính kiềm xúc tác chuyển sang dạng muối tức khả xúc tác cho phản ứng Ngồi xà phòng tạo thành cấu trúc gel làm cản trở giai đoạn tinh chế sản phẩm sau Ví dụ ta có phản ứng xà phòng hóa: O O OH C (CH2)7CH CH(CH2) 7CH3 + KOH K+-O C (CH2)7CH CH(CH2) 7CH3 + H2O Kali hydroxit Axit oleic Kali oleate (xa phong) Nước hỗn hợp gây tượng bất lợi khác phản ứng thuỷ phân Và với có mặt xúc tác kiềm, axit béo phản ứng với kiềm lại tạo thành xà phòng Xà phòng loại axit béo no có xu hướng đóng rắn nhiệt độ thường sản phẩm có chứa nhiều xà phòng thường quánh lại thành khối khó tinh chế O CH2 CH CH2 O C O O C O O C Triglyxerit CH2 OR1 R1 OH O O OR 2R + H2O CH O C O ORR22 + OH OR CH2 O ORR R3 'ùc Nươ C Diglyxerit C R1 Axít beo Xúc tác bazơ tốt với trường hợp chất tham gia phản ứng methanol tuyệt đối hay có nồng độ cao 49 Động đốt với nhiên liệu sinh học Mỗi loại dầu mỡ động thực vật có hàm lượng acid béo tự (FFA) định Bảng 1.6: Hàm lượng acid béo tự dầu mỡ Loại mỡ Hàm lượng FFA (% khối lượng) Dầu mỡ sau xử lý 0,05 Dầu thực vật tinh 0,3 – 0,7 luyện Dầu thải -7 Dầu mỡ chưa xử lý – 30  Với xúc tác axit: Cơ chế phản ứng ancol phân với xúc tác axit tóm tắt q trình sau: Đầu tiên, nhóm cacbonyl TG proton hóa xúc tác axit Sau nhóm cacbonyl proton hố bò cơng ancol theo chế nhân tạo hợp chất trung gian Giai đoạn dung mơi giúp cho q trình dịch chuyển điện tích tạo điều kiện cho tách nhóm Giai đoạn hình thành hợp chất trung gian, ankyl este proton hóa phân tử DG Giai đoạn có chuyển hóa proton làm tái tạo xúc tác axit Quá trình lặp lại tạo thành ankyl este phân tử Glyxerin Yếu tố khiến cho xúc tác có khả làm tăng hiệu trình phản ứng nhờ vào q trình proton hóa nhóm cacbonyl TG Sự tác động qua lại xúc tác chất mang làm tăng tính điện tử nguyên tố cacbon nhóm cacbonyl kế cận làm cho bò cơng tác nhân nhân So với xúc tác axít, chế phản ứng xúc tác bazơ thực hoạt hóa phản ứng cách trực tiếp hay khác biệt hai loại xúc tác xúc tác axit tạo tác nhân điện tử xúc tác bazơ tạo tác nhân nhân 50 Động đốt với nhiên liệu sinh học O O R3 O O O O H A O R O+ O (1) R1 O H - A-    O R3 O R2 H R1 O R2 (2) O O R3 O O H H - H +,+ H+ O O+ R3 (3) R1 O O O+ R1 O R R H O O O O R2 R2 (4) O R3 O H O-H + O O R1 O+ AO R O (5) R1 + O H A R R2 A – H Xúc tác axit R 1,R2,,R3 Gốc axit béo 1.5.2.3 Quy trình cơng nghệ Quy trình cơng nghệ sơ đồ cơng nghệ sản xuất biodiesel đưa hình 1.4 51 Động đốt với nhiên liệu sinh học Hình 1.4: Quy trình sản xuất biodisel 52 Động đốt với nhiên liệu sinh học Hình 1.5: Sơ đồ cơng nghệ sản xuất biodiesel Theo sơ đồ quy trình này, q trình sản xuất biodiesel qua cơng đoạn sau: - Trước tiên, tiền xử lý dầu loại bỏ chất bẩn nước thiết bị ly tâm thiết bị làm khô dầu Nước kẻ thù tồi tệ trình sản xuất biodiesel phải loại bỏ - Dầu, mỡ đun nóng trước đưa vào thiết bị este hóa - Metanol axit sunfủic đưa vào tháp este hóa để thực giai đoạn este hóa - Hỗn hợp dầu biodiesel làm khô trung hòa phần axit thừa máy li tâm sấy chân khơng sau đưa vào thùng tồn trữ - Metanol NaOH (hoặc KOH) nồng độ 30% hòa tan alcol thêm vào thiết bị traseste hóa (giai đoạn thứ 53 Động đốt với nhiên liệu sinh học 2) Hàm lượng hóa chất (xúc tác) sử dụng phụ thuộc vào hàm lượng axit tự (có thể xác định phương pháp chuẩn độ) Duy trì hệ phản ứng 650C áp suất 3bar để tránh metanol bay phản ứng xảy nhanh bề mặt Quá trình kết thúc sau khoảng 60 phút - Sản phẩm từ thiết bị transeste hóa đưa phân ly thùng phân ly (hoặc ly tâm) sau đem rửa để loại chất hòa tan xà phòng, MAG glyxerol - Một thiết bị thu hồi metanol sử dụng để tách metanol khỏi glyxerin biodiesel Glyxerol trung hòa sử dụng làm ngun liệu sản xuất xà phòng Để đảm bảo biodiesel 100%, cần phải lọc biodiesel với thiết bị lọc có kích thước màng lọc tới 1µm 4.3.2 Cơng nghệ chuyển hóa biodiezel Hạt sinh khối chứa dầu thực vật sử dụng sản xuất biodiezel ép chiết dung môi (như hexan) để tách dầu Phương pháp sau cho suất dầu hiệu cao Dầu thực vật sử dụng thẳng làm nhiên liệu diezel cho động diezel (SV) với điều kiện phải cải tiến động thích hợp loại dầu có số đặc tính bất lợi động bình thường (độ nhớt cao, khơng ổn định nhiệt, có chứa nước số xetan thấp) Người ta khắc phục nhược điểm dầu thực vật phương pháp este hóa để biến phân tử cấu trúc mạch nhánh dầu (triglyxerit) thành phân tử cấu trúc mạch thẳng nhỏ (metyleste), phù hợp với thành phần diezel dầu mỏ Metyleste dầu thực vật biodiezel Phần lớn metyleste sản xuất thơng qua q trình este hóa dầu thực vật với xúc tác metanol Triglixerit dầu thực vật tác dụng với metanol với có mặt xúc tác Q trình este hóa xảy nhiệt độ từ 50 - 66 oC, áp suất 1,4 bar, hệ thống lò kín Bước trình sản xuất biodiezel trộn metanol với chất xúc tác thường NaOH (hoặc KOH) để tạo natri (hoặc kali) metoxit Lượng metanol cần dư để đảm bảo chuyển hóa hồn tồn triglyxerit dầu thực vật thành este, phản ứng xảy với axit béo tự dầu xà phòng hóa Hỗn hợp xúc tác/ metanol rót vào bình phản ứng kín để tránh bay metanol Sau dầu thực vật bổ sung Khuấy hỗn hợp, để yên từ - Nồng độ axit béo tự nước phải xử lý hợp lý, nồng độ cao gây khó khăn q trình xà phòng hóa khó tách glyxerin phụ phẩm 54 Động đốt với nhiên liệu sinh học Sau dầu thực vật este hóa, hỗn hợp trung hòa axit Metanol thu hồi tái sử dụng.Trong hỗn hợp lại hai sản phẩm biodiezel glixerin, nên hình thành lớp bình phản ứng Glyxerin nặng bên tách khỏi bình với xà phòng trung hòa Muối kali thu từ q trình trung hòa thu hồi để làm phân bón Glyxerin tinh khiết lại sử dụng làm ngun liệu cho công nghiệp mỹ phẩm dược phẩm Sau tách glyxerin, dung dịch màu vàng hổ phách metyleste Metyleste rửa nước để khử tạp chất lại Độ tinh khiết metyleste thu đạt khoảng 98% Có thể thu metyleste tinh khiết xử lý phương pháp chưng cất Biodiezel bảo quản lâu dài dầu thực vật sử dụng cho động diezel Về nguyên tắc sản xuất biodiezel từ dầu ăn thải mỡ động vật tương tự với dầu thực vật ép thẳng Tuy nhiên dầu ăn thải thường không ổn định hàm lượng nước lẫn axit béo tự dầu, trước este hóa cần xác định rõ hàm lượng thành phần để xử lý bổ sung xúc tác metanol cho hợp lý Mỡ động vật triglyxerin với hàm lượng khác dầu thực vật nên cần điều chỉnh trước este hóa Q trình este hóa để sản xuất biodiezel sử dụng xúc tác axit hầu hết biodiezel ngày sản xuất với xúc tác kiềm nhiệt độ phản ứng thấp, hiệu suất thu hồi sản phẩm cao, thời gian phản ứng phản ứng phụ mức thấp 4/ Lợi ích việc sử dụng Diesel sinh học:  Đối với mơi trường: Nhiên liệu sinh học có nguồn gốc từ thực vật khơng đóng góp vào q trình phát thải CO2 - khí nhà kính Hơn nữa, cân phát thải CO2 biodiesel thể qua chu trình khép kín: biodiesel sau sử dụng thải khí CO2, trồng hấp thụ khí CO2 với lượng mặt trời lại phát triển, tạo nguồn nguyên liệu cho sản xuất nhiên biodiesel Ở phạm vi tồn cầu, khí thải ơtơ chiếm gần 20% tổng khí thải gây hiệu ứng nhà kính phát tán từ trình liên quan tới lượng Cả ethanol biodiesel bảo đảm giảm đáng kể phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính Kết cơng trình nghiên cứu cho thấy biodiesel giảm tới 70% so với dầu diesel Hàm lượng khí thải độc hại khác CO, NOx, SOx, hydrocarbon giảm đáng kể sử dụng nhiên liệu sinh học 55 Động đốt với nhiên liệu sinh học Ngồi ra, nhiên liệu sinh học có khả phân hủy sinh học nhanh, gây nhiễm nguồn nước đất  Sản xuất ứng dụng biodiesel: Sản xuất sử dụng biodiesel tương đối đơn giản so với dạng nhiên liệu khác hydro, pin nhiên liệu, LPG; khơng đòi hỏi phải sử dụng thiết bị công nghệ đắt tiền Cơng nghệ sản xuất biodiesel khơng phức tạp, sản xuất quy mơ nhỏ (hộ gia đình) đến quy mô lớn Việc sử dụng nhiên liệu sinh học nâng cao ý thức tiết kiệm lượng cho cộng đồng nhận thức nguồn nhiên liệu có nguồn gốc từ thực phẩm  Phát triển kinh tế nông nghiệp: Thông qua nguyên liệu đầu vào nhà máy sản phẩm nơng nghiệp, việc sản xuất biodiesel kích thích sản xuất nông nghiệp mở rộng thị trường cho sản phẩm nông nghiệp nước Việc sản xuất biodiesel từ số trồng dừa, lạc mở hội thị trường sản phẩm cho nông dân với tiềm tăng thu nhập tăng lực sản xuất đất canh tác có, tận dụng vùng đất hoang hóa tạo thêm cơng ăn việc làm cho người dân Chính sách phát triển nguồn nguyên liệu cho sản xuất nhiên liệu sinh học phù hợp tạo đa dạng môi trường sinh học với chủng loại thực vật Bên cạnh đó, việc tận dụng nguồn phụ, phế phẩm nông nghiệp để sản xuất biodiesel giúp bảo đảm không ảnh hưởng đến an ninh lương thực phát triển nhiên liệu sinh học, đồng thời nâng cao giá trị sản phẩm nông nghiệp  Bảo đảm an ninh lượng: Phát triển nhiên liệu sinh học giúp quốc gia chủ động, không bị lệ thuộc vào vấn đề nhập nhiên liệu, đặc biệt quốc gia khơng có nguồn dầu mỏ than đá; đồng thời kiềm chế gia tăng giá xăng dầu, ổn định tình hình lượng cho giới Do sản xuất từ nguồn nguyên liệu tái tạo, biodiesel thật lựa chọn ưu tiên cho quốc gia 56 Động đốt với nhiên liệu sinh học vấn đề an ninh lượng Hơn nữa, việc phát triển nhiên liệu sinh học sở tận dụng nguồn nguyên liệu sinh khối khổng lồ bảo đảm an ninh lượng cho quốc gia 5/ Một số thuộc tính khác: 6/ Đặc điểm động sử dụng Biodiesel: Khi sử dụng B5 (5% bio-diesel làm từ mỡ cá basa, 95% diesel) cơng suất suất tiêu hao nhiên liệu động cải thiện Cụ thể, công suất động tăng 1,33% suất tiêu hao nhiên liệu giảm 1,39% Phát thải HC, CO PM giảm, 14,46%, 12,94% 2,57%; NOx tăng 3,8% Tính phát thải động sau chạy bền 150 300 khơng có nhiều thay đổi Khi sử dụng bio-diesel từ dầu ăn tái chế, mơ men động khơng có nhiều khác biệt sử dụng B5, nhiên sử dụng B20 B30 mơ men động giảm 1% 2,4% so với sử dụng diesel Suất tiêu hao nhiên liệu động tăng lên tăng tỷ lệ biodiesel nhiên liệu Theo chu tình thử châu Âu R49, phát thải HC, CO PM giảm so với động nguyên bản, nhiên NOx lại tăng lên Trung bình, HC, CO PM giảm 26%, 20,4% 2,8% chạy B5; 26%, 16,1% 3,7% sử dụng B20 Tuy nhiên NOx tăng 17% 12,1% tỷ lệ bio-diesel nhiên liệu 5% 20% thể tích II/ KHÍ SINH HỌC (BIOGAS) 1/ Giới thiệu chung: Metan hydrocacbon đơn giản nhất, có cơng thức hóa học CH4, dạng khí Ngồi tên gọi metan, người ta gọi chúng khí Marsh; hydrua metyl 80% lượng phát tán metan toàn cầu từ nguồn hoạt động sản xuất nông nghiệp hoạt động khác người sinh Trong suốt 200 năm qua, mật độ khí bầu 57 Động đốt với nhiên liệu sinh học khí tăng gấp đơi, vượt từ số 0,8 lên đến 1,7 ppm (phần triệu) Metan thành phần khí tự nhiên, nhiên liệu có vai trò quan trọng Vì hydrocacbon có liên kết đồng hóa trị nên metan bền, hạn chế sử dụng làm nguyên liệu sản xuất loại hóa chất khác Metan khơng mùi, dùng làm nhiên liệu, người ta trộn vào lượng nhỏ hợp chất chứa lưu huỳnh có mùi mạnh etylmercaptan để dễ phát xảy rò rỉ khí Metan chất gây hiệu ứng nhà kính cao gấp 21 lần so với CO Sản phẩm khí từ q trình phân hủy sinh khối, phân gia súc phân người, bùn cống, v.v.v, nhờ vi khuẩn lên men kỵ khí (trong điều kiện khơng có oxy khơng khí) gọi biogas Biogas chứa nhiều metan 2/ Công nghệ sản xuất biogas: Quá trình phân hủy nhờ vi sinh vật hầm ủ biogas trải qua ba giai đoạn Giai đoạn thứ sinh khối bị thủy phân, phá vỡ mạch phân tử lớn tạo thành đường, axit amin, axit béo nhờ lên men vi sinh vật kỵ khí Giai đoạn q trình axetic hóa, vi khuẩn lên men axetic đồng hóa sản phẩm giai đoạn đầu biến chúng thành axit mạch ngắn, chủ yếu axit axetic Giai đoạn giai đoạn metan hóa, thực vi khuẩn kỵ khí, axit chuyển hóa thành metan Bể ủ biogas phải hồn tồn kín đảm bảo mơi trường kỵ khí tốt, đồng thời phải thiết kế để chịu áp suất, nhiệt độ tối ưu 58 ... dụng nhiên liệu sinh học vào đời sống chưa thể phổ biến rộng IV/ TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN CỦA NHIÊN LIỆU SINH HỌC 1/ Tình hình sản suất sử dụng nhiên liệu sinh học giới: 13 Động đốt với nhiên liệu sinh. .. trái đất lên 29 Động đốt với nhiên liệu sinh học II/ DIESEL SINH HỌC (BIO DIESEL) 1/ Định nghĩa: Biodiesel hay diesel sinh học loại nhiên liệu có tính chất tương đương với nhiên liệu dầu diesel... LPG vào bình ga cơng ty Saigon Petro không Công Thương đồng ý CHƯƠNG MỘT SỐ NHIÊN LIỆU SINH HỌC I/ CỒN SINH HỌC (BIOETHANOL) 1/ Nguồn nguyên liệu: 23 Động đốt với nhiên liệu sinh học 2/ Sản phẩm