Nghiên cứu đánh giá mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ ô tô khi sử dụng nhiên liệu xăng RON 92 pha trộn với butanol

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --- BÙI THANH TÙNG NGHIÊN CỨU MỨC ĐỘ PHÁT THẢI Ô NHIỄM CỦA ĐỘNG CƠ KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU XĂNG RON92 HÒA TRỘN VỚI BUTANOL LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

BÙI THANH TÙNG

NGHIÊN CỨU MỨC ĐỘ PHÁT THẢI Ô NHIỄM CỦA ĐỘNG

CƠ KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU XĂNG RON92 HÒA TRỘN

VỚI BUTANOL

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Đà Nẵng – Năm 2017

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

BÙI THANH TÙNG

NGHIÊN CỨU MỨC ĐỘ PHÁT THẢI Ô NHIỄM CỦA ĐỘNG

CƠ KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU XĂNG RON92 HÒA TRỘN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được

ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Đà Nẵng, ngày tháng 10 năm 2017 Tác giả luận văn

Bùi Thanh Tùng

NGHIÊN CỨU MỨC ĐỘ PHÁT THẢI Ô NHIỄM CỦA ĐỘNG CƠ KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU XĂNG RON92 HÒA TRỘN VỚI BUTANOL

Học viên:Bùi Thanh Tùng Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số: 60.520.116 Khóa:K30 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt - Ngày nay, nhiên liệu sinh học và nhiên liệu thay thế được nghiên cứu rộng rãi

với nhiều loại ở nhiều nước, bao gồm cả Việt Nam Mục đích của nghiên cứu này là nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ phối trộn hỗn hợp nhiên liệu xăng RON92-Butanol đối với khí thải động cơ ô tô Nhiên liệu này đã được thử nghiệm trên động cơ 1,6L DOHC Dual Overhead Cam L-4 được sử dụng trong xe NUBIRA II - DAEWOO Nghiên cứu thí nghiệm được thực hiện trong phòng thí nghiệm AVL với máy phân tích khí thải và các phương tiện hiện đại khác Thí nghiệm được thực hiện so sánh butanol pha với xăng RON92, các hỗn hợp xăng RON92-Butanol là 10%, 20% và 30% butanol theo khối lượng (Bu10, Bu20, Bu30) So với xăng RON92, nhiên liệu hỗn hợp Butanol tạo ra lượng khí thải CO thấp hơn và khí NOx cao hơn so với nhiên liệu RON92, nhưng không có sự thay đổi đáng kể về phát thải CO2 Hỗn hợp nhiên liệu sinh học chứa nồng độ butanol (20%) gây ra lượng CO và HC thấp hơn và hỗn hợp nhiên liệu sinh học chứa nồng độ butanol cao nhất (30%) gây ra HC cao nhất

Từ khóa - Nhiên liệu sinh học; máy phân tích khí thải; hỗn hợp nhiên liệu xăng-Butanol;

NUBIRA II – DAEWOO; xăng RON92

RESEARCH ON THE EMISSIONS OF AUTOMOTIVE ENGINE WHEN USING

THE RON 92 GAS ONLINE-BUTANOL BLENDS Abstract - Nowadays, bio-fuel and substitute fuel are researched widely with various types

in many countries, including Vietnam The purpose of this work is to investigate the effect of butanol– RON92 commercial gasoline on the emissions This fuel was tested by Dual Overhead Cam L-4 1.6L DOHC engine used in NUBIRA II vehicle – DAEWOO Experimental research was conducted in AVL laboratory with Automotive gas analyzer and other modern facilities Testing was performed comparing butanol blended with RON92 commercial gasoline, the RON92 gas online–butanol blends were 10%, 20% and 30% butanol in volume basis (Bu10, Bu20, Bu30) Compared to A92 gas online, Butanol blended fuels produced lower CO and higher NOx emissions than RON92 gas online , but there was

no significant change in terms of CO2 emissions The biofuel blend containing concentration

of butanol (20%) caused lower CO and HC emissions and he biofuel blend containing the highest concentration of butanol (30%) caused highest HC

Key words – bio-fuel; Automotive gas analyzer; the RON92 gas online–butanol blends,

NUBIRA II – DAEWOO; RON92 Gas online

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Kết cấu của luận văn 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Viễn cảnh về nguồn nguyên liệu hóa thạch 3

1.1.1 Tình hình an ninh năng lượng trên thế giới 3

1.1.2 Trữ lượng và nguồn dầu mỏ tại Việt Nam 4

1.1.3 Giải pháp tìm ra các nguồn năng lượng mới thay thế cho nhiên liệu hóa thạch 5

1.2 Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học ở Việt Nam và trên thế giới 5

1.2.1 Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học ở trên thế giới 5

1.2.2 Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học ở Việt Nam 6

1.3 Khả năng sản xuất Butanol từ nguyên liệu sinh học 7

1.3.1 Tình hình sản xuất Butanol sinh học 7

1.3.2 Tình hình sử dụng và nghiên cứu Butanol sinh học 11

1.4 Tổng quan về những đề tài có cùng phạm vi nghiên cứu và những vướng mắc chưa thực hiện 13

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT 15

2.1 Bản chất của sự hình thành chất ô nhiễm trong khí xả động cơ cháy cưỡng bức 15

2.1.1 Cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành NOx trong quá trình cháy động cơ cháy cưỡng bức 15

2.1.2 Cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành CO trong quá trình cháy của động cơ cháy cưỡng bức 18

2.1.3 Cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành HC trong quá trình cháy của động cơ cháy cưỡng bức 21

2.2 Giới thiệu tiêu chuẩn khí xả Việt Nam và thế giới 25

2.2.2 Trung Quốc 26

2.2.3 Nhật Bản 26

2.2.4 Tiêu chuẩn khí thải Mỹ 27

2.2.5 Tiêu chuẩn khí thải Việt Nam 29

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 33

3.1 Phương pháp phối trộn hỗn hợp xăng-Butanol 33

3.2 Kết quả phân tích mẫu nhiên liệu trong thực nghiệm 33

3.3 Đánh giá tính chất của hỗn hợp nhiên liệu 37

3.4 Thiết kế mô hình thực nghiệm 39

3.4.1 Thiết bị thí nghiệm 39

3.4.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 46

3.5 Nội dung và các chế độ thực nghiệm 47

3.6 Quy trình thí nghiệm 48

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM49 4.1 Đánh giá phát thải chất ô nhiễm 49

4.1.1 So sánh ô nhiễm hỗn hợp nhiên liệu Bu10 và xăng RON 92 49

4.1.2 So sánh ô nhiễm hỗn hợp nhiên liệu Bu20 và xăng RON 92 54

4.1.3 So sánh ô nhiễm hỗn hợp nhiên liệu Bu30 và xăng RON 92 59

4.2 Đánh giá các tính năng của động cơ 64

4.2.1 Công suất có ích (Ne) 64

4.2.2 Mô men có ích (Me) 67

4.2.3 Suất tiêu hao nhiên liệu có ích (ge) 69

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 73

1 Các ký hiệu mẫu tự La tinh và Hy Lạp

IEA Cơ quan năng lượng quốc tế

EWG Tổ chức kiểm soát năng lượng Anh

NLSH Nhiên liệu sinh học

EU European Union (Liên minh Châu Âu)

E5 Nhiên liệu sinh học E5 (xăng pha 5% thể tích ethanol)

E10 Nhiên liệu sinh học E10 (xăng pha 10% thể tích ethanol)

E100 Nhiên liệu sinh học E100 (100% ethanol)

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

Bu20 Nhiên liệu sinh học Bu20 (xăng pha 20% thể tích butanol) Bu10 Nhiên liệu sinh học Bu10 (xăng pha 10% thể tích butanol) Bu30 Nhiên liệu sinh học Bu30 (xăng pha3% thể tích butanol)

TEC Tetra Entyn chì

ppm Parts Per Million (phần triệu)

RVP Reid Vapor pressure (Áp suất hơi bão hòa)

Số hiệu

1 1 Nhiệt độ sôi và RON của các đồng phân của Butanol 8

2 4 Giá trị giới hạn cho xe lắp động cơ cháy cưỡng bức- mức Euro

2 5 Giá trị giới hạn đối với xe lắp động cơ Diesel- mức Euro 2 29

2 6 Giá trị giới hạn đối với xe lắp động cơ cháy cưỡng bức- mức

2.7 Giá trị giới hạn đối với xe lắp động cơ Diesel- mức Euro4 30

2 8 Giới hạn mức mô nhiễm cho phép của các phương tiện vận tải 31

3 1 Chỉ tiêu lý hóa của nhiên liệu xăng RON 92 sử dụng trong

3 2 Chỉ tiêu lý hóa của nhiên liệu Bu20 sử dụng trong thực nghiệm 34

3 3 Chỉ tiêu lý hóa của nhiên liệu Bu10 sử dụng trong thực nghiệm 35

3 4 Chỉ tiêu lý hóa của nhiên liệu Bu30 sử dụng trong thực nghiệm 36

4 1 Giới hạn đo thành phần khí thải của thiết bị AVL DiGas 4000 44

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Số liệu

hình

1 1 Trữ lượng dầu mỏ Việt Nam giai đoạn 2011-2015 4

1 4 Sơ đồ các công nghệ sản xuất Butanol sinh học 10

2 2 Biến thiên nồng độ CO theo hệ số dư lượng không khí 17

2 3 Ảnh hưởng của hệ số khí xả hồi lưu đến nồng động NO 18

2 5 Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí đến nồng độ

2 6

2 7 So sánh nồng độ CO trên đường thải theo tỷ lệ hỗn hợp 20

2 8 So sánh nồng độ CO theo góc đánh lửa sớm cho bởi

2 11 Nguồn phát sinh HC trong động cơ đánh lửa cưỡng bức 23

4.8 Thiết bị đo khí xả KEG500 kết nối với máy tính 45

4.9 Hệ thống điều khiển Puma 45

4.12 So sánh CO và NOx của xăng RON 92, Bu10 ở mức

4.33 Diễn biến Mô men có ích theo tốc độ tại vị trí 30%

bướm ga khi sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau 67

4.34 Diễn biến Mô men có ích theo tốc độ tại vị trí 50%

4.35 Diễn biến Mômen có ích theo tốc độ tại vị trí 70%

4.36 Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu theo tốc độ tại vị trí

30% bướm ga khi sử dụng các loại nhiên liệu khác

70

4.37

Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu theo tốc độ tại vị trí

50% bướm ga khi sử dụng các loại nhiên liệu khác

nhau

71

4.38

Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu theo tốc độ tại vị trí

50% bướm ga khi sử dụng các loại nhiên liệu khác

nhau

72

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 chống 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 nhập khẩu nhiên liệu

Hiện nay các nước trên thế giới đang có xu hướng tìm kiếm và sử dụng các nguồn nhiên liệu sinh học, có khả năng tái tạo để hạn chế ô nhiễm môi trường sống, đồng thời thay thế nguồn nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt dần

Trên thế giới, ngoài Ethanol sinh học ra, Butanol sinh học cũng được chú ý sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong thời gian gần đây Ở Việt Nam, xăng sinh học E5 đã được sử dụng rộng rãi và sẽ thay thế hoàn toàn xăng RON 92 kể từ ngày 01/01/2018, còn Butanol sinh học cũng đã và đang được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu

Theo đánh giá của các nhà khoa học, 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, 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 điểm nói trên nên hiện nay, Butanol sinh học có thể sử dụng làm nhiên liệu thay thế xăng sản xuất từ dầu mỏ Tuy nhiên các chỉ tiêu lý hóa của Butanol

và xăng khác nhau hàm lượng khí thải phát ra động cơ sử dụng của nhiên liệu phối trộn xăng – Butanol diễn ra cũng khác nhau tùy ở tỉ lệ phối trộn, do đó nhằm đa dạng hóa nguồn nhiên liệu sạch dùng cho động cơ đốt trong ở bối cảnh nguồn dầu mỏ ngày càng cạn kiệt, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, nâng cao hiệu quả của việc sử dụng

nhiên liệu phối trộn xăng- Butanol, đó là lý do tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu mức

độ phát thải ô nhiễm của động cơ khi sử dụng nhiên liệu xăng RON 92 hoà trộn với Butanol”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Đánh giá lượng phát thải của động cơ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng-Butanol

ở các tỉ lệ pha trộn khác nhau, qua đó xác định được tỉ lệ pha trộn tối ưu để có lượng phát thải thấp nhất

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

+ Đối tượng nghiên cứu

Động cơ DAEWOO 1.6

+ Phạm vi nghiên cứu

Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu thực nghiệm việc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng-Butanol trên động cơ xăng ở một số tỉ lệ nhất định Qua đó đánh giá mức phát thải ô nhiễm của động cơ sử dụng trên băng thử

4 Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm Nghiên cứu lý thuyết

về cơ chế hình thành của các chất phát thải ô nhiễm trong động cơ ô tô khi dùng nhiên liệu sinh học Butanol và xăng RON 92 Đồng thời tiến hành thực nghiệm đo đạc về các chỉ tiêu ô nhiễm khí xả của động cơ khi sử dụng nhiên liệu sinh học Butanol và RON 92 trên băng thử công suất tại Trung tâm thí nghiệm động cơ và ô tô- Khoa cơ khí giao thông, trường Đại học Bách Khoa thành phố Đà Nẵng

5 Kết cấu của luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận và hướng phát triển đề tài, luận văn bao gồm 4 chương có cấu trúc như sau:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm

Chương 4: Phân tích, đánh giá kết quả thực nghiệm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Viễn cảnh về nguồn nguyên liệu hóa thạch

1.1.1 Tình hình an ninh năng lượng trên thế giới

Thế giới đang khai thác mạnh các nguồn nhiên liệu hóa thạch phục vụ cho đời sống sinh hoạt, sản xuất của con người như : than đá, năng lượng dầu mỏ, khí gas Tuy nhiên các dạng năng lượng trên đều có hạn và nếu như không phát hiện thêm trữ lượng mới thì có khả năng sẽ dần cạn kiệt trong vòng 40-50 năm nữa Chính vì vậy năng lượng hóa thạch về lâu dài không đảm bảo về vấn đề an ninh năng lượng Nó có ảnh hưởng trực tiếp đến nền kinh tế và an ninh của mỗi quốc gia [17]

Hiện nay do tình hình bất ổn chính trị ở một số quốc gia, và suy thoái kinh tế thế giới làm cho nhu cầu sử dụng dầu mỏ giảm trong khi nguồn cung ổn định Giá dầu mỏ giảm mạnh đi đôi với việc các nước có nền kinh tế phụ thuộc vào việc xuất khầu dầu

mỏ bị khủng hoảng và tiếp tục đẩy mạnh sản lượng khai thác dầu mỏ để duy trì Việc tăng cường khai thác dầu mỏ và sử dụng nhiên liệu hóa thạch kéo theo hậu quả nghiêm trọng về biến đổi khí hậu và dấy lên nguy cơ cạn kiệt nguồn năng lượng hóa thạch Để đối phó với tình hình đó, cần phải có một thứ nhiên liệu khác để làm đa dạng hóa nguồn năng lượng, tiết kiệm năng lượng và nhất là giảm bớt ảnh hưởng tiêu cực đến con người và môi trường sống Sự hỗ trợ về chính sách đối với việc tìm kiếm, phát triển nguồn năng lượng mới nhằm đảm bảo an ninh năng lượng và phát triển bền vững luôn là mối quan tâm hàng đầu của các quốc gia.[17]

Trong những thập kỷ vừa qua, nhất là sau năm 1970 - những năm khủng hoảng dầu mỏ, công nghệ sử dụng năng lượng tái tạo đã đạt nhiều tiến bộ đáng kể Đi đầu trong xu hướng này là các nước phát triển trong Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế (OECD), đặc biệt là các nước phát triển thuộc Liên minh châu Âu (EU) Hiện tại, các nguồn năng lượng này chưa làm thay đổi cơ bản cơ cấu cân bằng năng lượng của thế giới, nhưng trong tương lai cơ cấu này chắc chắn sẽ thay đổi khi vấn đề công nghệ và giá thành năng lượng tái tạo được giải quyết Tổng sản lượng điện sản xuất từ các nguồn năng lượng tái tạo tăng với tỷ lệ 2,9% mỗi năm, và tỷ trọng năng lượng tái tạo chiếm trong tổng sản lượng điện thế giới được dự báo tăng từ 19% năm 2006 lên 21% năm 2030 Theo giới phân tích, nhu cầu thế giới về năng lượng mặt trời, gió và các dạng năng lượng tái sinh khác sẽ tăng mạnh vào giữa thế kỷ này, do lo ngại ngày một tăng về tình trạng Trái đất nóng lên Năng lượng tái tạo được dự đoán sẽ có bước nhảy vọt và đến tầm

2050 sẽ bắt đầu thách thức sự thống trị hiện nay của các loại nhiên liệu hoá thạch [6]

1.1.2 Trữ lượng và nguồn dầu mỏ tại Việt Nam

Theo số liệu thống kê của BP, Việt Nam là quốc gia đứng thứ 28 trên tổng số 52 nước trên thế giới có tài nguyên dầu khí Tính đến hết năm 2013, trữ lượng dầu thô xác minh của Việt Nam vào khoảng 4,4 tỷ thùng đứng thứ nhất trong khu vực Đông Nam

Á, còn lượng khí xác minh của Việt Nam vào khoảng 0,6 nghìn tỷ m3, đứng thứ 3 trong khu vực Đông Nam Á (sau Indonesia và Malaysia)

Trữ lượng dầu của Việt Nam giai đoạn 2011-2015 cho 36 mỏ trong đó 26 mỏ là công trình trong nước còn 10 mỏ công trình ở nước ngoài Tính đến ngày 31/12/2015 toàn ngành dầu khí đã khai thác được 352,68 triệu tấn dầu [10]

Hình 1 1 Trữ lượng dầu mỏ Việt Nam giai đoạn 2011-2015 [10]

Số liệu trong hình 1.1 cho thấy sản lượng khai thác dầu thô của cả nước tăng ổn định từ sau chính sách đổi mới năm 1986 và đạt đỉnh vào năm 2004 với trên 20 triệu tấn/năm Tuy nhiên sản lượng khai thác dầu thô bắt đầu đi xuống từ năm 2005 do sản lượng từ các mỏ lớn như mỏ Bạch Hổ, mỏ Rồng suy giảm mạnh và việc đưa nhiều mỏ nhỏ vào khai thác không thể bù đắp được mức sụt giảm này Giai đoạn từ năm 2006 -

2010 đã có 14 mỏ nhỏ được đưa vào khai thác nhưng sản lượng khai thác chỉ tăng nhẹ trong năm 2009 sau đó tiếp tục đà sụt giảm Công tác tìm kiếm thăm dò hiện nay phải tiến hành tại những khu vực xa bờ và nước sâu nên chi phí lớn và mất nhiều thời gian hơn, các phát hiện dầu khí gần đây chủ yếu là các mỏ có trữ lượng nhỏ

1.1.3 Giải pháp tìm ra các nguồn năng lượng mới thay thế cho nhiên liệu hóa thạch

Thế giới ngày nay đã bị lệ thuộc quá nhiều vào dầu mỏ do tính dễ sử dụng của

nó Ngoài ra, ô tô dần trở thành phương tiện giao thông được ưa chuộng Giá dầu biến động bất ổn gây đe dọa nền an ninh năng lượng Nhiều nước có ngành nông nghiệp phát triển và nhập khẩu nhiên liệu đưa ra giải pháp sử dụng nhiên liệu sinh học (NLSH) từ nguồn nguyên liệu có khả năng tái tạo Hơn nữa, việc phát triển NLSH trên

cơ sở tận dụng các nguồn nguyên liệu sinh khối khổng lồ sẽ là một bảo đảm an ninh năng lượng cho các quốc gia Đây được xem là một trong những biện pháp mang tính chiến lược vì vừa giảm thiểu tác động tiêu cực của giá xăng dầu, giảm thiểu khí thải gây ô nhiễm môi trường, vừa góp phần đẩy mạnh sản xuất nông nghiệp, xóa đói giảm nghèo cho nông dân, có thể sản xuất với khối lượng lớn và công nghệ sản xuất đơn giản hơn so với các dạng năng lượng khác Phát triển NLSH sẽ góp phần đa dạng hóa nhiên liệu, giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, cải thiện cán cân thương mại, nâng cao hiệu quả kinh tế nông nghiệp theo hướng phát triển bền vững do việc thúc đẩy phát triển các loại nguyên liệu mới thân thiện với môi trường Mặt khác, sử dụng NLSH khá thuận tiện, đơn giản, hạn chế thấp nhất chi phí thay thế hay cải biến động

cơ, thêm vào đó giá thành của NLSH thường thấp hơn các loại sản phẩm năng lượng

từ nguồn nguyên liệu hóa thạch nên có tính hiệu quả kinh tế

1.2 Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học ở Việt Nam và trên thế giới

1.2.1 Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học ở trên thế giới

Trên thế giới có khoảng hơn 60 quốc gia khai thác và sử dụng NLSH ở các mức

độ khác nhau

+ Brazil là nước đầu tiên trên thế giới sử dụng Ethanol làm nhiên liệu ở quy mô công nghiệp từ những năm 1970.Luật pháp Brazil quy định tất cả các loại phương tiện giao thông phải sử dụng xăng pha với 22% cồn Ethanol, và có 20% phương tiện chỉ sử dụng hoàn toàn Elthanol Nhờ vậy đất nước này tạo ra được gần 1 triệu việc làm và tiết kiệm được 60 tỉ USD tiền nhập khẩu dầu trong ba thập niên vừa qua Từ năm 1975, Chính phủ Brazil đã thực thi chương trình mang tên Pro-alcohol mà sau này trở thành mẫu hình được nhiều quốc gia học tập để phát triển nhiên liệu sinh học Chưa kể đến các chính sách hỗ trợ của chính phủ Brazil: cho các hãng sản xuất Ethanol vay với lãi suất thấp, hỗ trợ giá Ethanol ổn định( bằng 59% giá xăng truyền thống), việc tiêu thụ Ethanol luôn đảm bảo

+ Mỹ là quốc gia sản xuất Ethanol lớn nhất thế giới Năm l998, Tổng thống Mỹ B.Clinton đã ký sắc lệnh 13101 về sử dụng sản phẩm sinh học thay thế một phần dầu

mỏ Mỹ sản xuất nhiên liệu sinh học chủ yếu từ hạt bắp, hạt cao lương và thân cây cao lương ngọt, củ cải đường Khoảng 17% sản lượng bắp sản xuất hàng năm ở Hoa Kỳ dùng để sản xuất etanol Mỹ đặt chỉ tiêu sản xuất xăng sinh học để cung cấp 46% nhiên liệu cho xe hơi năm 2010, 100% vào năm 2012 Để khuyến khích sử dụng nhiên liệu sinh học, Chính phủ đã ban hành các chính sách ưu đãi thuế, như chính sách thuế,

ưu đãi đầu tư và khuyến khích các chủ nông trại trồng ngô liên kết, mua cổ phần cùng đầu tư vào các nhà máy sản xuất ethanol, ban hành nhiều đạo luật về môi trường như cấm sử dụng phụ gia hoá học tăng trị số octan gây độc hại, bắt buộc sử dụng nhiên liệu

chứa oxy ở các vùng đông dân cư, miễn thuế cho nhiên liệu pha cồn

+ Thái Lan hiện là nước đi đầu Đông Nam Á về sản xuất và tiêu thụ NLSH Chính phủ Thái Lan đề ra mục tiêu năng lượng tái tạo đạt 20% trên tổng năng lượng tiêu thụ vào năm 2022 Thái Lan bãi bỏ việc sử dụng dầu Diesel 100% từ 2008, thay vào đó là B5 Xăng sinh học E10 được sử dụng nhiều nhất tại Thái Lan, trong đó nhiều thành phố đã bắt đầu sử dụng nhiều xăng E20 (phối trộn tỷ lệ 20% ethanol vào xăng)

và E85 (phối trộn tỷ lệ 85% ethanol vào xăng) Đặc biệt, Thái Lan tập trung đẩy mạnh sản xuất ethanol từ mía với mục tiêu phát triển nguồn năng lượng sinh học, trong đó ethanol sẽ chiếm đến 25% vào năm 2064 Hiện nay, Thái Lan sản xuất được 3,5 triệu lít ethanol/năm Mục tiêu của họ là sẽ sản xuất được 7 triệu lít/năm vào 2026 và 11,3 triệu lít/năm vào 2035

+ Hai nước đông dân nhất thế giới là Ấn Độ và Trung Quốc hiện cũng đang chuyển sang dùng xăng sinh học E10 và E20 Ấn Độ sử dụng xăng sinh học E20 đại trà vào năm 2017 bởi công nghệ sinh học nước này rất phát triển Còn Trung Quốc đã chuyển dần các nhà máy phối trộn xăng sinh học E5 sang xăng sinh học E10 Theo báo cáo của Cơ quan Nghiên cứu sinh học Trung Quốc, chính phủ nước này đã đưa vào sử dụng xăng sinh học E5 và có rất nhiều chính sách hỗ trợ cho ngành công nghiệp này Việc chuyển công nghệ, thiết bị và dây truyền các nhà máy phối trộn xăng sinh học E5 sáng E10 của Trung Quốc giai đoạn từ 2005 -2010 đã diễn ra nhanh chóng Theo Cơ quan trên, nhờ sự chuyển biến đó mà dự kiến năm 2020, Trung Quốc sẽ sản xuất đại trà nhiên liệu sinh học tổng hợp (E10), phục vụ nhu cầu trong nước và xuất khẩu

1.2.2 Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học ở Việt Nam

Ngành năng lượng Việt Nam hai mươi năm qua đã phát triển mạnh, cơ bản đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế xã hội đất nước Tuy vậy, quy mô và hiệu quả của ngành năng lượng còn thấp Trạng thái an ninh năng lượng Việt Nam chưa được bảo đảm (cắt điện xảy ra thường xuyên vào thời kỳ cao điểm; dự trữ dầu quốc gia chưa đủ khả năng bình ổn giá khi có khủng hoảng giá dầu trên thị trường quốc tế…) Nghiên

cứu của các nhà khoa học Viện Khoa học Năng lượng đã chỉ ra rằng Việt Nam sẽ phải đối mặt với nguy cơ thiếu hụt nguồn năng lượng trong tương lai không xa Chúng ta sẽ trở thành nước nhập khẩu năng lượng trước năm 2020 Nếu không đảm bảo được kế hoạch khai thác các nguồn năng lượng nội địa hợp lý, tình huống phải nhập khẩu năng lượng sẽ xuất hiện vào khoảng năm 2015 Điều đó cho thấy vấn đề năng lượng của Việt Nam sẽ chuyển từ giới hạn trong phạm vi một quốc gia thành một phần của thị trường quốc tế và chịu sự tác động thay đổi của nó

Để đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia trước những biến động trên thị trường dầu mỏ, giảm dần sự phụ thuộc vào bên ngoài đồng thời góp phần bảo vệ môi trường; nước ta đang triển khai các chương trình Quốc gia tìm kiếm các dạng năng lượng mới, sạch và tái tạo được như năng lượng mặt trời, năng lượng hạt nhân, năng lượng gió, nhiên liệu sinh học [15]…

Ngày 20/11/2007, Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn 2025” Theo Quyết định số 53/2012/QĐ-TTg ngày 22 tháng 11 năm 2012 về việc ban hành lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống thì từ ngày 1/12/2014 xăng E5 được sản xuất, sử dụng ở một số thành phố và được sử dụng trên toàn quốc kể từ 1/12/2015 Xăng E10 được sản xuất, sử dụng thí điểm từ ngày 1/12/2016 và áp dụng trên toàn quốc từ

1/12/2017 Để thực hiện Lộ trình theo Quyết định 53/2012/QĐ-TTg, các địa phương

đã tích cực triển khai, đưa xăng E5 vào lưu thông, thay thế xăng RON92 [15]

Trong năm 2015, đã có 8 địa phương triển khai thí điểm kinh doanh xăng E5, gồm: Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng, Cần Thơ, Quảng Ngãi, Quảng Nam và Bà Rịa-Vũng Tàu Qua đó, đã tiêu thụ 278.504m3

xăng E5, bằng khoảng 15,72% so với tổng lượng xăng khoáng RON92 Các địa phương có tỷ lệ tiêu thụ E5 cao so với RON92 là Quảng Ngãi (100%), Đà Nẵng (100%), Quảng Nam (85,7%)… Mục tiêu đến tháng 6-2017, E5 sẽ thay thế hoàn toàn xăng RON 92 trên thị trường [16]

Hiện nay cả nước có 7 nhà máy sản xuất nhiên liệu sinh học trong đó có 3 nhà máy NLSH thuộc Tập đoàn dầu khí quốc gia Việt Nam gồm: Nhà máy NLSH Ethanol

Bình Phước và Nhà máy NLSH Phú Thọ, Nhà máy Bio-Ethanol Dung Quất

1.3 Khả năng sản xuất Butanol từ nguyên liệu sinh học

1.3.1 Tình hình sản xuất Butanol sinh học

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

Do có sự khác nhau về cấu trúc nên giữa các đồng phân có sự khác nhau về các tính chất đặc biệt là nhiệt độ sôi

Bảng 1.1: Nhiệt độ sôi và RON của các đồng phân của Butanol

n-Butanol isoButanol sec-Butanol tert-Butanol

Nhiệt độ sôi 117.2 °C 108 °C 99 °C 82 °C

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, mạch phân tử của nó gồm 4 nguyên tử cacbon, dài hơn so với Ethanol hay mEthanol 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; mật độ năng lượng cao hơn Ethanol sinh học 25%, gần bằng mật độ năng lượng của xăng chế biến từ dầu mỏ; chỉ số octan cao xấp xỉ chỉ số octan của xăng trung bình (RON92) 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

Khả năng sản xuất Butanol [6]:

+ Sản xuất Butanol có thể tận dụng cơ sở hạ tầng hiện hành của sản xuất Ethanol Quy trình hóa dầu oxo (quá trình hydroformyl hóa) mang tính khả thi cao nhất để sản xuất Butanol rẻ tiền hơn từ các nguồn sinh khối khác nhau

Hình 1 3 Công nghệ sản xuất Butanol Lên men tạo Butanol khác với lên men tạo Ethanol chủ yếu là tác nhân Quá trình lên men tạo Butanol dùng vi khuẩn, còn quá trình lên men tạo Ethanol chủ yếu là nấm men Lên men Butanol tốn ít năng lượng hơn nhưng sơ đồ phân tích sản phẩm phức tạp hơn Hiện trên thế giới có rất nhiều cơ sở hạ tầng và nhiều nhà máy sản xuất Ethanol đi từ đường mía và cỏ Cải tiến khu vực chưng cất của nhà máy (chủ yếu liên quan đến cụm nạp liệu, lên men, phân tích ban đầu, xử lý sản phẩm phụ, và ngoài nhà máy) để có thể sản xuất Butanol Do vậy, các nhà máy sản xuất Ethanol có thể nhanh chóng chuyển đổi và đáp ứng yêu cầu sản xuất Butanol trước khi gặp phải nguy cơ khủng hoảng tăng vọt về nhu cầu nhiên liệu Ethanol

Cách đây vài năm, các nhà sản xuất, liên doanh đã tuyên bố về những khởi sự của họ trong phát triển thêm cơ sở hạ tầng cho ngành vi sinh để sản xuất trong quy mô

phòng thí nghiệm rồi sản xuất thử cũng như thương mại hóa sản xuất và rao bán các nhà máy sản xuất Butanol sinh học ở Trung Quốc Một dự án liên doanh giữa BP và Dupont về sản xuất Butanol sinh học theo quy trình ABE tại Trung Quốc đã được thực hiện đang mang nhiều triển vọng thúc đẩy thị trường tiêu thụ nguồn nhiên liệu mới này

Theo sơ đồ ở hình 1.4 cho ta thấy được các phương pháp có thể sản xuất Butanol hiện nay Trong đó cách dễ sản xuất nhất là đem đường lên men trực tiếp Nếu là tinh bột thì phải sử dụng một số men để chuyển hóa rồi mới lên men được Riêng đối với các hạt rắn như hạt ngũ cốc ta phải đem đi nghiền, nấu, thủy phân đem đi đường hóa rồi mới có thể lên men Đối với các quá trình sinh khối thì cenlulo và hemicellulo sẽ được thủy phân nhờ acid hoặc men tạo ra đường gluco và fructo, riêng cenlulo chỉ tạo

ra fructo, các đường này được đem đi đường hóa rồi lên men tạo Butanol

Hình 1 4 Sơ đồ các công nghệ sản xuất Butanol sinh học

Một nhóm nghiên cứu viên thuộc Viện Khoa học và Kỹ thuật công nghiệp tiên tiến quốc gia của Nhật Bản (JAIST) đã phát triển một kỹ thuật tinh lọc Butanol sinh học mới, giúp tăng độ đậm đặc của dung dịch lên tới 82% (% khối lượng Butanol) và

từ đó, giảm đáng kể tổng số năng lượng cần thiết cho quy trình loại bỏ nước trong dung dịch Butanol [6]

Butanol sinh học (hay xăng sinh học) là một trong số những loại nhiên liệu lỏng thế hệ tiếp theo thay thế cho các sản phẩm hóa dầu đang được sử dụng hiện nay Butanol sinh học được chiết xuất từ đường lên men với số lượng lớn trong sinh khối xenluloza (từ gỗ), với mức calori cao hơn (34 MJ/kg) so với Ethanol (C2H5OH - 27 MJ/kg) Quá trình lên men đường dưới tác động của vi khuẩn tạo ra một dung dịch chứa nước với độ tập trung Butanol thấp (khoảng 0,5 - 1,5%) Khi độ tập trung này tăng lên, các vi khuẩn sẽ chuyển sang trạng thái “ngủ đông” và quá trình sản xuất bị dừng lại Do vậy, cần phải tách nước ra để thu được dung dịch có độ tập trung Butanol lớn Chưng cất là một kỹ thuật đơn giản giúp thực hiện phân tách Butanol Tuy nhiên,

số năng lượng cần sử dụng để tạo ra dung dịch chứa 99,9% Butanol từ dung dịch 1%

là 37 MJ/kg, nhiều hơn 3 MJ/kg so với mức calorie của Butanol Do đó, kỹ thuật trên không thể áp dụng được trong trường hợp này Giải pháp thay thế hiện đang được nghiên cứu là phân tích bằng cách thoát hơi nước qua màng (pervaporation) bằng gốm silic có hoặc không phủ bột silicalite Phương pháp này cho phép đạt được độ tập trung Butanol trong dung dịch lên tới 37% đối với gôm không phủ bột và 53% với gôm phủ bột Dung dịch này sau đó sẽ được cho bay hơi lần nữa cho tới khi đạt mức tập trung tối đa Tuy vậy, nếu độ tập trung thấp hơn mức 80% thì dung dịch sẽ bị phân tích một cách tự nhiên thành 2 pha lỏng xếp chồng lên nhau, trong đó pha trong chứa 8% Butanol và pha ngoài 80% Do vậy, cần xử lý riêng biệt 2 pha theo quy trình sau: Để khắc phục tình trạng chia pha nói trên, AIST đã phát triển một loại màng phân tích mới bằng chất liệu silicalite với lớp gôm silic làm nền, cho phép thu được dung dịch tập trung 82% chỉ qua 1 lần bay hơi (hình vẽ) Do vậy, tổng mức năng lượng cần để sản xuất Butanol tinh khiết chỉ còn 4,3 MJ/kg (13% lượng calorie của Butanol), thấp hơn 50 và 70% so với các quy trình sử dụng gôm silic phủ và không phủ bột silicalite [6]

1.3.2 Tình hình sử dụng và nghiên cứu Butanol sinh học

cơ Hàm lượng khí thải ra môi trường giảm và tương đương so với khi sử dụng xăng pha etanol Tuy nhiên, vẫn chưa có quốc gia nào trên thế giới chính thức sử dụng n-butanol làm nhiên liệu sử dụng đại trà trong giao thông vận tải Các thực nghiệm mới chỉ dừng lại ở mức nghiên cứu hoặc thử nghiệm trên quy mô nhỏ [18]

Tại Anh, Green Biologics cũng đã tiến hành nghiên cứu sản xuất Butanol vi sinh vật biến đổi chủng gen và sẽ tích hợp các quá trình lên men thành một sản phẩm hoàn chỉnh Công nghệ tiên tiến này mở ra một bước thay đổi có hiệu quả kinh tế cao của quá trình lên men và cho phép sản xuất quy mô lớn của Green Biologics' Butafuel ™ Các công ty khác phát triển công nghệ sản xuất Cobalt Butanol nhiên liệu sinh học là Tetravitae Bioscience Pháp, Butalco GmBH Thụy Sĩ đang phát triển quy trình sản xuất mới bioButanol dựa trên di truyền nấm men tối ưu hóa cùng với các chất xúc tác trong lĩnh vực công nghệ chế biến Tổng công ty Nhà nước của Nga, sẽ bắt đầu xây dựng một nhà máy bioButanol trong khu vực Irkutsk vào mùa xuân năm 2011 Tháng

11 năm 2009, các nhà nghiên cứu ở UCLA đã công bố rằng các chủng biến đổi của Synechococcus elongatus có thể sản xuất isobutyraldehyde và isoButanol trực tiếp từ carbon dioxide Một số nghiên cứu cũng đang được thực hiện dự kiến sản xuất 2,3 butanediol từ phế phẩm nông nghiệp Các nhà nghiên cứu bioButanol đang làm việc với GM chủng Colstridium, thủy phân cellulose trước khi chuyển đổi thành Butanol có khả năng cho sản lượng tăng lên rất nhiều Trong nghiên cứu được công bố bởi Bộ Nông nghiệp Mỹ trong năm 2007, rơm lúa mì đã được thủy phân thành phần chứa lignocellulosic đường (glucose, xylose, galactose arabinose và mannose) trước khi chuyển đổi sang Butanol, do Clostridium beijerinckii P260 Tỷ lệ sản xuất lúa mì rơm thủy phân để Butanol được 214% so với từ glucose [18]

+ Trong nước :

Các nhà khoa học thuộc Trung tâm nghiên cứu công nghệ lọc hóa dầu- Trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh đã nghiên cứu xây dựng thành công quy trình công nghệ tổng hợp butanol nhiên liệu từ bã mía theo hướng cải thiện hiệu suất chuyển hóa, nâng cao nồng độ butanol và giảm chi phí quá trình thu hồi butanol Nhóm nghiên cứu đã xử lý bã mía bằng phương pháp nổ hơi nước (không gây ô nhiễm môi trường)

để thu hồi cellulose Hàm lượng cellulose trong nguyên liệu ban đầu khoảng 50% đã tăng lên 68% sau khi xử lý nổ hơi nước Theo tính toán, từ 100 kg nguyên liệu bã mía ban đầu, sau khi nổ hơi thu được khoảng 235 kg bã mía với độ ẩm khoảng 80% Quá trình thủy phân bã mía sau khi nổ hơi cho hiệu quả kinh tế cao mà không gây ô nhiễm môi trường, ăn mòn thiết bị, điều kiện công nghệ dễ đáp ứng Hệ thống pilot thủy phân

bã mía cho thấy, với 100 kg nguyên liệu bã mía ban đầu có thể thu được khoảng 600 lít dịch thủy phân với nồng độ glucose 50-55 g/lít; hệ thống pilot lên men ABE

(Aceton - Butanol - Ethanol) vận hành tự động, mỗi mẻ lên men khoảng 20-25 lít Điều kiện vận hành: nhiệt độ 36oC, pH 6,8, vi sinh 7%, hàm lượng glucose 50-60 g/lít Sau 7 ngày lên men, tổng lượng ABE thu được khoảng trên 9 g/lít Kết quả thử nghiệm cho thấy, với khoảng 100 kg nguyên liệu bã mía có thể thu được 640 lít dịch ABE, trong đó có khoảng 7,1 lít butanol [14]

Hệ thống Pilot chiết tách/thu hồi butanol từ dịch lên men ABE được nhóm nghiên cứu lựa chọn sử dụng công nghệ Pervaporation, vận hành tự động, hiệu quả trong điều kiện nhiệt độ 75oC, lưu lượng 4 lít/phút, mỗi lần nhập liệu tối đa 6 lít Hiệu suất thu hồi butanol của hệ thống đạt 89%, có thể tổng hợp được 7,875 lít dung dịch butanol (tương đương 6,3 lít butanol tinh khiết) từ 100 kg nguyên liệu bã mía ban đầu Kết quả nghiên cứu đã mở ra hướng ứng dụng triển khai công nghệ sản xuất butanol tại các nhà máy sản xuất đường ở Việt Nam hoặc tại các cơ sở sản xuất nhiên liệu sinh học Ethanol sẵn có Qua đó tăng tính cạnh tranh của nhiên liệu butanol so với nhiên liệu xăng pha butanol khi mà butanol được sản xuất trực tiếp trong nước thay vì nhập khẩu như hiện nay [19]

1.4 Tổng quan về những đề tài có cùng phạm vi nghiên cứu và những vướng mắc chưa thực hiện

Nhóm tác giả: KS Nguyễn Huỳnh Hưng Mỹ, TS Nguyễn Hữu Lương, TS Nguyễn Đình Việt, KS Cấn Đình Hùng của Viện Dầu khí Viêt Nam với đề tài “Đánh giá khả năng ứng dụng Butanol trong động cơ xăng để thay thế một phần nhiên liệu truyền thống tại Việt Nam” đã khẳng định xăng pha n-butanol có quy cách phẩm chất, thông số vận hành và tính năng làm việc của nhiên liệu trên xe ô tô là tương đương so với xăng thông dụng A95, đồng thời sử dụng xăng pha n-butanol góp phần làm giảm thiểu khí độc hại phát thải ra môi trường

Nhóm tác giả: Huỳnh Tấn Tiến, Trần Văn Nam, Nguyễn Đình Lâm của Đại học

Đà Nẵng với đề tài Đánh giá khả năng sử dụng Butanol phối trộn vào xăng nhiên liệu

đã khẳng định khi pha 10% thể tích Butanol vào xăng RON 92 động cơ vẫn hoạt động

ổn định và phát thải CO, HC có giảm so với động cơ sử dụng xăng RON 92

Nhóm tác giả: Lê Văn Tụy, Bùi Ngọc Hân của Đại học Đà Nẵng với đề tài nghiên cứu góc đánh lửa tối ưu cho động cơ sử dụng nhiên liệu xăng pha Butanol đã kết luận Bằng cách điều chỉnh góc đánh lửa hợp lý, động cơ sử dụng nhiên liệu sinh học xăng pha Butanol sẽ cho phát ra công suất cao hơn và giảm phái thải ô nhiễm hơn

so với xăng thị trường RON95

Một vài nghiên cứu khác của các tác giả Huỳnh Tấn Tiến, Phạm Thanh Việt, Phạm Văn Phê như: “Nghiên cứu khả năng ứng dụng Butanol thay thế Ethanol trong

xăng sinh học, Nghiên cứu tỷ lệ pha trộn tối ưu nhiên liệu sinh học Butanol với xăng RON95 sử dụng cho động cơ ô tô, Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng tỷ lệ phối trộn hỗn hợp Butanol - Xăng RON95 đến tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ ôtô” đã có thêm nhiều kết luận quan trọng cho việc sử dụng Butanol sinh học làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong

Hiện tại ở Việt Nam đã có nhiều nghiên cứu về việc sử dụng Butanol sinh học làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong và cũng đưa ra được khẳng định butanol sinh học hoàn toàn có thể sử dụng làm nhiên liệu thay thế tiềm năng Tuy nhiên đến nay các đề tại vẫn chỉ dừng lại ở tỷ lệ butanol pha trộn với xăng ở mức 25% thể tích trở xuống, chính vì vậy tác giả chọn đề tài "Nghiên cứu đánh giá mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ ô tô khi sử dụng nhiên liệu xăng RON 92 pha trộn với Butanol" với các tỉ lệ pha trộn Butanol lên tới 30% thể tích nhằm nâng cao tỉ lệ pha trộn Butanol vào xăng ứng dụng làm nhiên liệu thay thế nhiên liệu xăng truyền thống

Kết luận chương 1:

Đứng trước viễn cảnh nguồn nguyên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt, tình hình

an ninh năng lượng của các nước đang bất ổn, việc tìm ra nguồn nhiên liệu thay thế cho nguồn nhiên liệu hóa thạch mang tính chất sống còn Việc nghiên cứu ứng dụng Butanol sinh học làm nhiên liệu tại Việt Nam đã đạt được những kết quả nhất định nhằm đa dạng nguồn nhiên liệu sinh học thay thế cho nguồn nhiên liệu truyền thống

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Cùng với sự tăng trưởng về số lượng ô tô, một mâu thuẫn nảy sinh trong sự phát triển của xã hội là vấn đề ô nhiễm môi trường do khí thải độc hại từ động cơ đốt trong thải ra vào không khí quanh ta Nguồn ô nhiễm này trở thành mối đe dọa chính cho cuộc sống của con người, đặc biệt là ở các thành phố có mật độ xe cơ giới cao, mối nguy hiểm này càng lớn Theo nguyên lý, quá trình cháy lý tưởng chỉ sinh ra CO2,

H2O và N2 Nhưng trong thực tế, thì quá trình cháy xảy ra trong buồng cháy của động

cơ không lý tưởng như vậy Quá trình cháy thực tế sinh ra các chất độc nguy hiểm như: NOx, CO, HC,… Chính những chất này là nguyên nhân gây ra ô nhiễm môi trường Theo thời gian thì danh sách các chất gây ô nhiễm ngày càng được các nhà khoa học nghiên cứu chi tiết hơn và đưa ra các tiêu chuẩn giới hạn nồng độ của chúng nhằm đối phó với các hiểm họa về môi trường sống đang dần hiện hữu

2.1 Bản chất của sự hình thành chất ô nhiễm trong khí xả động cơ cháy cưỡng bức

2.1.1 Cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành NO x trong quá trình cháy động cơ cháy cưỡng bức

a Sự hình thành NO

Trong họ NOx thì NO chiếm tỉ lệ lớn nhất NOx chủ yếu do N2 trong không khí nạp vào động cơ tạo ra Nhiên liệu xăng hay Diesel chứa rất ít nitơ nên ảnh hưởng của chúng đến nồng độ NOx không đáng kể Nhiên liệu nặng sử dụng ở động cơ tàu thủy tốc độ thấp có chứa khoảng vài phần nghìn nitơ (tỉ lệ khối lượng) nên có thể phát sinh một lượng nhỏ NOx trong khí xả Sự hình thành NO do oxy hóa nitơ trong không khí

có thể được mô tả bởi cơ chế Zeldovich Trong điều kiện hệ số dư lượng không khí xấp xỉ 1, những phản ứng chính tạo thành và phân hủy NO là:

độ của bộ phận khí cháy trước cao hơn nhiệt độ đạt được ngay sau khi ra khỏi khu vự

màng lửa nên đại bộ phận NO hình thành trong khu vực sau màng lửa [1]

Hình 2 1 Sự phụ thuộc nồng độ NO theo nhiệt độ

Sự hình thành NO phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ (hình 2.1), cho thấy mức độ tiến triển của phản ứng:

Hình 2.2 minh họa ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí đến mức độ phát sinh NO Nhiệt độ cháy đạt giá trị cực đại tương ứng với hệ số dư lượng không khí khoảng 0,9, nghĩa là khi hỗn hợp hơi giàu Tuy nhiên trong điều kiện đó nồng độ O2thấp nên nồng độ NO không đạt giá trị lớn nhất Khi hệ số dư lượng không khí tăng, ảnh hưởng của sự gia tăng áp suất riêng O2 đến nồng độ NO lớn hơn ảnh hưởng của sự giảm nhiệt độ cháy nên NO đạt giá trị cực đại ứng với hệ số dư lượng không khí khoảng 1,1 (hỗn hợp hơi nghèo) Nếu độ đậm đặc của hỗn hợp tiếp tục giảm thì tốc độ

của phản ứng tạo thành NO cũng giảm do nhiệt độ cháy thấp Điều ấy giải thích sự giảm nồng độ NOx khi tăng hệ số dư lượng không khí [1]

Hình 2 2 Biến thiên nồng độ CO theo hệ số dư lượng không khí

Hình 2.3 trình bày ảnh hưởng của tỉ lệ khí xả hồi lưu đến nồng độ NO ứng với các độ đậm đặc khác nhau của hỗn hợp Nồng độ các chất ô nhiễm giảm mạnh theo sự gia tăng của tỉ lệ khí xả hồi lưu cho đến khi tỉ lệ này đạt 15÷20%, đây là tỉ lệ khí sót lớn nhất chấp nhận được đối với động cơ làm việc ở tải cục bộ Nhiệt độ cháy giảm khi gia tăng lượng khí sót trong hỗn hợp là do sự gia tăng của nhiệt dung riêng môi chất [1]

Sự gia tăng tỉ lệ khí sót vượt quá giới hạn cho phép làm giảm chất lượng quá trình cháy dẫn đến sự cháy không hoàn toàn và động cơ làm việc không ổn định do bỏ lửa Vì vậy, luợng khí sót tối ưu cần phải cân nhắc giữa sự giảm nồng độ NO và sự gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu Điều này chỉ có thể thực hiện một cách tự động nhờ hệ

thống điều khiển điện tử cho phép điều khiển lượng khí xả hồi lưu tối ưu ứng với mỗi chế độ vận hành của động cơ

Tóm lại, tăng góc đánh lửa sớm làm tăng nồng độ NO trong khí xả Trong điều kiện vận hành bình thường của động cơ, giảm góc đánh lửa 10 độ có thể làm giảm nồng độ NO từ 20÷30% ở cùng áp suất cực đại của động cơ [1]

2.1.2 Cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành CO trong quá trình cháy của động cơ cháy cưỡng bức

a Sự hình thành CO:

CO là chất khí không màu, không mùi và rất nguy hiểm cho sức khỏe con người,

vì nó khống chế sự dịch chuyển của hồng cầu trong máu, khiến các bộ phận trong cơ thể bị thiếu ô xy có thể gây tử vong khi nồng độ CO trong không khí khoảng 1000 ppm Khoảng 70% CO trong khí quyển là do khí xả động cơ gây ra CO sinh ra do quá trình cháy không hoàn toàn của hỗn hợp giàu hay do phân giải sản phẩm của quá trình

cháy, được hình thành tại khu vực cháy có nhiệt độ cao Nồng độ CO phụ thuộc mạnh vào thành phần hỗn hợp tức hệ số dư lượng không khí (α), trong sản phẩm cháy của nhiên liệu Hydrocacbon thơm (C8H18) Ở nhiệt độ cao ngay cả hỗn hợp nghèo, phản ứng phân giải sản phẩm cháy cũng làm tăng nồng độ CO [1]

Hình 2 5 Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí đến nồng độ CO

Động cơ làm việc ở chế độ tải thấp, do điều kiện cháy của hỗn hợp không thuận lợi từ đó hình thành những vùng cháy không hoàn toàn, cục bộ, nên nồng độ CO trong khí xả cao cho dù α khi nạp ở giá trị lý thuyết Do đó, ôtô xe máy chạy trong thành phố, thì phát thải CO nhiều, do động cơ thường xuyên làm việc ở chế độ tải thấp

Áp suất nạp càng nhỏ thì tốc độ cháy càng thấp, kéo theo sự giảm áp suất và nhiệt độ cực đại trong xy lanh, sẽ làm tăng khả năng cháy không hoàn toàn, do đó làm tăng nồng độ CO trong sản phẩm cháy So sánh nồng độ CO đo được trên đường thải

và nồng độ CO cho bởi tính toán trình bày như trên hình 2.6 [1]

+ Ảnh hưởng của thành phần hỗn hợp:

Cũng như trường hợp cháy ngoài khí quyển, nồng độ CO đo trên đường xả tăng

rất nhanh theo độ đậm đặc Ф (Ф = 1/λ).Nồng độ CO đạt khoảng 0,5% ở Ф = 0,75 tăng lên đến 2,1% ở Ф = 1,2 Trên hình 2.3, so sánh nồng độ CO trên đường thải theo tỷ lệ hỗn hợp [1]

Hình 2 7 So sánh nồng độ CO trên đường thải theo tỷ lệ hỗn hợp

+ Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm:

Góc đánh lửa sớm cũng gây ảnh hưởng đến nồng độ CO trên đường xả Nếu đánh lửa trễ, quá trình cháy kéo dài, điều kiện cháy trở nên xấu đi sẽ làm tăng khả năng cháy không hoàn toàn do đó làm tăng nồng độ CO [1]

+ Ảnh hưởng của hệ số khí sót:

Khí sót có mặt trong hỗn hợp là do khí cháy của chu trình trước còn sót lại trong

xy lanh, nó phụ thuộc vào sự hồi lưu khí xả; chế độ tải động cơ, độ đậm đặc của hỗn hợp và tỉ số nén Ngoài ra nó còn phụ thuộc vào sự điều chỉnh xupap, đặc biệt là khoảng trùng điệp (khi khoảng trùng điệp tăng thì lượng khí sót tăng) Khí sót giữ vai trò kìm hãm tốc độ cháy (làm bẩn hỗn hợp), làm giảm nhiệt độ cháy sự giảm nồng độ

NOx và CO Tuy nhiên, khi hệ số khí sót gia tăng quá lớn, động cơ sẽ làm việc không

ổn định làm giảm tính kinh tế và tăng nồng độ HC Hiện nay, trên một số động cơ hiện đại sử dụng hệ thống hồi lưu khí xả EGR để khống chế NOx [1]

2.1.3 Cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành HC trong quá trình cháy của động cơ cháy cưỡng bức

a Cơ chế hình thành HC

+ Sự phát sinh hydrocarbure chưa cháy trong khí xả động cơ :

Sự phát sinh hydrocarbon chưa cháy gọi là HC HC bao gồm các thành phần hydrocarbure rất khác biệt, có hại đối với sức khỏe con người cũng như với môi

trường HC hình thành do sự không đồng nhất của hỗn hợp và đặc biệt là ở khu vực gần vách buồng cháy (khu vực có nhiệt độ thấp)

Trên hình 2.9 biểu diễn sự biến thiên nồng độ các thành phần hydrocarbure theo góc quay trục khuỷu đo được trên thành buồng cháy của động cơ một xy lanh [1]

+ Cơ chế tôi màng lửa:

Tôi màng lửa diễn ra khi khí cháy tiếp xúc với thành buồng cháy, quá trình này xảy ra trong những điều kiện khác nhau: màng lửa bị làm lạnh khi tiếp xúc với thành trong quá trình dịch chuyển hoặc màng lửa bị dập tắt trong những không gian nhỏ liên thông với buồng cháy, như khe hở giữa piston và thành xy lanh hình 2.10 Khi màng lửa bị tôi, nó giải phóng một lớp mỏng hỗn hợp chưa cháy hay cháy không hoàn toàn trên các bề mặt tiếp xúc (như: nắp xy lanh, xy lanh, piston, xupap…) hay ở những không gian chết Bề dày của vùng bị tôi phụ thuộc vào những yếu tố khác nhau như: nhiệt độ và áp suất của hỗn hợp khí, tốc độ lan tràn màng lửa, hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, tình trạng bề mặt của thành buồng cháy, lớp muội than, nhiệt độ thành buồng cháy…

Hình 2 10 Sự hình thành HC do tôi màng lửa trên thành buồng cháy

Quá trình tôi màng lửa diễn ra theo hai giai đoạn: Trong giai đoạn đầu, màng lửa

bị tắt khi nhiệt lượng hấp thụ vào thành buồng cháy cân bằng với nhiệt lượng do màng lửa tỏa ra sau đó diễn ra sự khuếch tán hay sự ô xy hóa nên nồng độ HC tại khu vực này nhỏ hơn nồng độ đo được khi tôi Mặt khác, những hydrocarbure thoát ra trong quá trình ô xy hóa ban đầu do màng lửa bị dập tắt có thể bị ô xy hóa trong quá trình giãn nở hay thải

Cuối cùng lớp dầu bôi trơn trên mặt gương xy lanh có thể hấp thụ hydrocarbure nhất là các hydrocarbure trước khi bén lửa và thải HC ra hỗn hợp cháy trong kỳ giãn

nở Quá trình hấp thụ và thải HC như vừa nêu đôi khi là nguồn phát sinh HC quan trọng trong khí xả động cơ đốt trong [1]

b.Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành HC

+ Sự tôi màng lửa trên thành buồng cháy:

Bề dày của lớp bị tôi thay đổi từ 0, 05 mm đến 0, 4mm phụ thuộc vào chế độ tải của động cơ Khi tải càng thấp thì lớp tôi càng dày.Sau khi màng lửa bị dập tắt, những phần tử HC có mặt trong lớp tôi khuếch tán vào khối khí nhiệt độ cao trong buồng cháy và đại bộ phận bị ô xy hóa Trạng thái bề mặt của thành buồng cháy cũng ảnh hưởng đến mức độ phát sinh HC, nồng độ HC có thể giảm đi 14% trong trường hợp thành buồng cháy được đánh bóng so với buồng cháy ở dạng đúc thô Lớp muội than gây ảnh hưởng đến nồng độ HC tương tự như trường hợp buồng cháy nhám [1]

+ Các không gian chết trong buồng cháy:

Các không gian chết như khe hở giữa piston với xéc măng và xy lanh, không gian quanh cực giữa của bugi, không gian quanh nấm và đế xu páp, không gian giữa thân máy, đệm và nắp xylanh (hình 2.11) được xem là nguyên nhân chủ yếu phát sinh

HC Ở thời điểm tăng áp suất nén, hòa khí được đẩy vào các không gian chết Trong giai đoạn cháy, màng lửa lan đến các khu vực này để đốt cháy hỗn hợp hoặc nó có thể

bị tôi ngay trước khi vào trong không gian chết Sau khi màng lửa đến và bị tôi, khí cháy lại chui vào không gian chết cho đến khi áp suất giảm chúng quay ngược lại xy lanh

Hình 2 11 Nguồn phát sinh HC trong động cơ đánh lửa cưỡng bức

Vị trí của bugi cũng ảnh hưởng đến mức độ phát sinh HC; nếu bugi đặt gần không gian chết thì trong không gian đó có chứa một bộ phận sản phẩm cháy; ngược lại, nếu bugi đặt xa thì không gian chết chứa chủ yếu hỗn hợp khí chưa cháy Lượng khí lọt xuống cate trong quá trình nén và cháy cũng là nguồn phát sinh HC nếu nó được thải trực tiếp ra ngoài.Nếu buồng cháy thiết kế hợp lý thì sẽ góp phần giảm đáng

kể nồng độ HC trong khí xả [1]

+ Sự hấp thụ và giải phóng HC ở màng dầu bôi trơn:

Khi dầu bôi trơn được hòa lẫn với nhiên liệu, như trường hợp động cơ xăng 2

kỳ, hay do dầu bôi trơn từ cate chui qua khe hở giữa piston và xy lanh lên buồng cháy Trong giai đoạn nạp, màng dầu bôi trơn được tráng lên mặt gương xy lanh ở trạnh thái bão hòa hơi hydrocarbon ở áp suất nạp.Khi cháy hết nhiên liệu, sự giải phóng hơi nhiên liệu từ màng dầu bôi trơn vào khí cháy bắt đầu và đồng thời quá trình này tiếp tục trong kỳ giãn nở và thải Trong quá trình đó, một bộ phận hơi này sẽ hòa trộn với khí cháy nhiệt độ thấp, không bị ô xy hóa, góp phần làm tăng HC Lượng HC này tăng theo độ hòa tan của nhiên liệu trong dầu bôi trơn [1]

+ Chất lượng quá trình cháy:

Sự dập tắt màng lửa khi nó lan đến gần thành buồng cháy là một trong những nguyên nhân làm tăng HC trong khí xả động cơ Màng lửa có thể bị tắt khi nhiệt độ và

áp suất giảm nhanh Hiện tượng này diễn ra ở chế độ không tải hay tải nhỏ và tốc độ thấp với thành phần khí sót cao Ngay cả khi động cơ được điều chỉnh tốt ở chế độ làm việc bình thường, sự dập tắt màng lửa cũng diễn ra ở chế độ quá độ (gia tốc hay giảm tốc) [1]

+ Sự ôxy hóa HC trong kỳ giãn nở và thải:

Sau khi thoát ra khỏi các không gian chết, nhiên liệu chưa cháy khuếch tán vào khối sản phẩm cháy ở nhiệt độ cao và bị ô xy hóa một cách nhanh chóng Sự ôxy hóa này càng thuận lợi khi lượng ôxy trong sản phẩm cháy càng nhiều (hỗn hợp nghèo).Lượng HC thải ra bao gồm nhiên liệu chưa cháy hết và các sản phẩm cháy không hoàn toàn.Mặt khác, quá trình ô xy hóa cũng tiếp tục diễn ra trên đường xả làm giảm thêm nồng độ HC Vì vậy những điều kiện vận hành của động cơ làm gia tăng nhiệt độ khí xả và thời gian tồn tại của hỗn hợp trong buồng cháy dài sẽ làm tăng tỉ lệ

HC bị ô xy hóa, tức làm giảm nồng độ HC khi thải ra ngoài [1]

2.2 Giới thiệu tiêu chuẩn khí xả Việt Nam và thế giới

2.2.1 Liên minh châu âu EU

Bảng 2 1 Tiêu chuẩn khí thải Euro V

Tiêu chuẩn Euro VI

V trên toàn Châu Âu từ ngày 1 tháng 9 năm 2009 cho các xe ô tô tư nhân và áp dụng

từ ngày 1/09/2015 cho các loại xe thương mại hạng nhẹ Tiêu chuẩn này góp phần làm giảm lượng khí thải dạng hạt từ các loại xe sử dụng nhiên liệu Diesel đến 80% so với Euro IV (khoảng 5mg/km) Lượng khí thải NOx được giảm xuống còn 180 mg/ km đối với xe sử dụng nhiên liệu Diesel và 60 mg/km đối với xe sử dụng nhiên liệu xăng [12] Đồng thời, nghị viên Châu Âu đã đưa ra lộ trình áp dụng tiêu chuẩn Euro VI tiếp theo, áp dụng đối với xe tư nhân vào ngày 01/09/2014 và 01/09/2015 đối với các loại

xe thương mại hạng nhẹ, từ đó tất cả các loại xe mới bán ra sau thời gian này đều phải đáp ứng được tiêu chuẩn Euro VI Các loại xe sử dụng động cơ Diesel không được vượt quá 80 mg/km và đối với động cơ xăng là 60 mg/km [12]

2.2.2 Trung Quốc

Tăng trưởng kinh tế nhanh chóng, nhu cầu đi lại và vận tải hàng hoá ngày càng tăng đã làm cho Trung Quốc một trong những thị trường ô tô phát triển nhanh nhất trên thế giới

Tiêu chuẩn khí thải ở Trung Quốc được điều chỉnh bởi Bộ Môi trường (trước đây

là Tổng cục Bảo vệ Môi trường - SEPA) tiêu chuẩn của Trung Quốc dựa trên các quy định của Châu Âu, và được thông qua với một sự chậm trễ thời gian nhất định các quy định nghiêm ngặt hơn được áp dụng tại các khu vực đô thị lớn như Thượng Hải và Bắc Kinh trước tiên

Trung Quốc đã bắt đầu thực hiện tiêu chuẩn Euro III ở Bắc Kinh vào năm 2005

và ứng dụng trên toàn quốc trong tháng 7 năm 2007 Euro 4 đã được áp dụng tại Bắc Kinh vào năm 2008 (tháng 7 năm 2010 áp dụng cho phần còn lại của nước)

Tiêu chuẩn khí thải Euro IV áp dụng cho xe ô tô chở khách và xe thương mại hạng nhẹ Xe tải nặng phải đáp ứng tiêu chuẩn Euro III từ năm 2008 Euro IV đã được

áp dụng từ tháng 1 năm 2010 cho cả nước (tháng 1 năm 2008 cho riêng khu vực Bắc Kinh) Hiện nay, Trung Quốc đã áp dụng tiêu chuẩn khí thải Euro V trên cả nước[13]

2.2.3 Nhật Bản

Tiêu chuẩn khí thải của Nhật Bản cho động cơ và các loại xe được phát triển bởi

Bộ Môi trường (MOE) và Bộ Đất đai, Hạ tầng và Giao thông vận tải (MLIT)

Năm 1992, để đối phó với vấn đề ô nhiễm NOx từ các phương tiện hiện lưu hành trong khu vực đô thị đông dân, Bộ Môi Trường (MOE) thông qua Luật kiểm soát NOx

xe cơ giới Luật này áp dụng cho 196 khu vực ô nhiễm không khí cao do NOx thải ra

từ xe ô tô ở Tokyo, Saitama, Kanagawa, Osaka và tỉnh Hyogo Một số biện pháp đã được thực hiện để kiểm soát NOx từ các phương tiện đang lưu hành, bao gồm cả tiêu