Tổng quan về hệ thống động cơ chạy bằng nhiên liệu Biodiesel
Tiêu chuẩn chuyên môn của nhiên liệu sinh học
Biodiesel, hay còn gọi là metyl este của dầu thực vật, là nhiên liệu được chiết xuất từ các loại dầu thực vật như đậu tương, hạt cải dầu và hướng dương Quá trình este hóa đã làm thay đổi đáng kể tính chất của dầu, tạo ra một nguồn năng lượng tái tạo hiệu quả.
Nhiên liệu sinh học có thành phần trung bình với 11% oxy và giảm 77% carbon, trong khi hàm lượng hydro không thay đổi Tỷ lệ không khí và nhiên liệu thường là 12,5, dẫn đến sự cải thiện trong quá trình đốt cháy Nhiên liệu sinh học chứa rất ít phốt pho và lưu huỳnh, làm giảm đáng kể khí thải SOx và nhiệt độ khí thải, do đó vấn đề ngưng tụ axit không nghiêm trọng Nó không chứa các hợp chất thơm, có mật độ cao hơn và chỉ số xê-tan thường trên 50, giúp cải thiện khả năng cháy trong động cơ Điểm chớp cháy cao (>100°C) cũng giúp giảm rủi ro trong lưu trữ và vận chuyển.
Một số tác giả đã chỉ ra rằng dầu diesel sinh học có thể được trộn lẫn với dầu diesel, cho phép sử dụng hỗn hợp ở bất kỳ tỷ lệ nào Tuy nhiên, ở nhiệt độ thấp, các tính chất của diesel sinh học kém hơn so với dầu diesel Lượng dư lượng carbon từ sự phân hủy ở nhiệt độ cao của các hợp chất thực vật có trọng lượng phân tử cao lớn hơn so với dầu diesel Đặc tính này rất quan trọng để tối ưu hóa việc sử dụng dầu diesel sinh học trong các hệ thống phun nhiên liệu tiên tiến hiện nay.
Mối quan tâm về oxy hóa trong diesel sinh học trở nên quan trọng hơn so với dầu diesel, đặc biệt là sự thay đổi theo thời gian của các tính chất thơm và giảm nhiệt độ điểm chớp cháy Các sản phẩm oxy hóa từ diesel sinh học không chỉ ảnh hưởng đến tuổi thọ của nhiên liệu mà còn góp phần hình thành cặn bẩn trong bồn chứa, hệ thống nhiên liệu và bộ lọc Tuy nhiên, nhờ vào sự phân hủy sinh học được cải thiện, diesel sinh học được xem là an toàn hơn cho môi trường khi bị phân tán.
Bảng 1 Tính chất hóa lý của dầu diesel sinh học thương mại và dầu diesel Đơn vị Mẫu nhiên liệu 1 Mẫu nhiên liệu 2 Diesel D2
Tỷ trọng ở 15ºC Kg/m 3 886.1 882.4 829.0 Độ nhớt ở 40ºC Mm 2 /s 4.3 4.66 2.40
Dầu diesel sinh học nổi bật với đặc tính bôi trơn vượt trội so với dầu diesel truyền thống, đặc biệt là loại có hàm lượng lưu huỳnh thấp Điều này đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu hao mòn cho động cơ và hệ thống phun nhiên liệu.
1.1.1 Việc sử dụng dầu diesel sinh học trong lò hơi
Việc sử dụng dầu diesel sinh học trong lò hơi ngày càng trở nên phổ biến, mặc dù nghiên cứu trong lĩnh vực này còn hạn chế Các thí nghiệm cho thấy dầu diesel sinh học giúp giảm ô nhiễm và tắc nghẽn, là phương án khả thi cho những nơi không có khí đốt tự nhiên Một hệ thống nhiệt tại Padova, với hai lò hơi 512 mã lực, trong đó một lò sử dụng dầu diesel sinh học, đã được giám sát để so sánh hiệu suất Cả hai lò hơi có thể hoạt động ở hai mức công suất 214 và 512 kW, với nhiệt độ nước đầu vào và đầu ra được điều chỉnh tự động Các lò hơi sử dụng dầu diesel sinh học không gặp vấn đề nghiêm trọng, chỉ cần điều chỉnh tốc độ dòng nhiên liệu Để tối ưu hóa hiệu suất, chúng đã được trang bị vòi phun mới và điều chỉnh lượng nhiên liệu trong mùa đông để tránh sự cố.
1.1.2 Lịch sử phát triển của dầu diesel sinh học dùng trong lò hơi
Chiến dịch thử nghiệm diễn ra trong các mùa đông 2000-2001 và 2001-2002 cho thấy hệ thống nhiệt hoạt động tự động mà không cần hỗ trợ bên ngoài khi sử dụng dầu diesel sinh học Lò hơi diesel sinh học đã vận hành 544 giờ ở công suất cao và 530 giờ ở công suất thấp, tiêu thụ tổng cộng 1372 đơn vị nhiên liệu Kết quả hiệu suất đáng kể của hai lò hơi được trình bày trong bảng 2 thông qua các thử nghiệm đã được lập trình.
Lò hơi diesel sinh học có hiệu suất cao hơn lò hơi diesel và duy trì ổn định theo thời gian, giúp hạn chế hiện tượng tắc màng Phân tích vào cuối mùa đã xác nhận điều này Sự gia tăng hiệu suất liên quan đến nhiệt độ thấp hơn của khí ở ống xả (khí Tex).
Bảng 2 So sánh kết quả của lò hơi chạy bằng dầu diesel sinh học và dầu diesel
Lò hơi 1 – diesel sinh học
Tại hai lò hơi, khí thải CO và CO2 có sự tương đồng cao, với nhiệt độ không khí dao động từ 5 đến 22.5 ºC và hiệu suất đạt từ 81.2% đến 89.5% Mặc dù không thể kiểm tra khí thải NOx, các nghiên cứu trước đây cho thấy mức giảm NOx khoảng 30% nhờ vào sự hiện diện của oxy trong nhiên liệu Do đó, nhiều chất phụ gia có tính oxy hóa thường được bổ sung vào dầu diesel thông thường để cải thiện hiệu suất khí thải.
Trong suốt chiến dịch thử nghiệm, không ghi nhận thất bại hay khó khăn nào, và không có mùi khí thải nào được báo cáo, điều này giúp giảm bớt lo ngại cho người dân xung quanh Hơn nữa, việc bảo trì định kỳ cũng cho thấy không có dấu hiệu xuống cấp của các miếng đệm trong lò hơi.
Một khía cạnh quan trọng được báo cáo là sự khác biệt rõ rệt trong các thông số của dầu diesel sinh học Các phân tích hóa học trên một số mẫu diesel sinh học cho thấy sự thay đổi đáng kể về điểm chớp cháy, dư lượng cacbon, hàm lượng phốt pho và số lượng iốt Mặc dù có những thay đổi đáng chú ý trong một số trường hợp, nhưng không có sự khác biệt rõ ràng.
Tóm lại, vấn đề duy nhất ở đây chính là giá cả của nhiên liệu khi sử dụng dầu diesel sinh học trong lò hơi.
Việc sử dụng dầu diesel sinh học trong động cơ đốt trong
Việc sử dụng diesel sinh học trong ngành công nghiệp ô tô đã gia tăng đáng kể, đặc biệt ở Pháp và Đức, nơi nhiều nhà sản xuất như Volkswagen, Audi và Mercedes-Benz đã đảm bảo động cơ của họ có thể sử dụng diesel sinh học Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện về hiệu suất và khí thải của động cơ diesel khi sử dụng diesel sinh học nguyên chất hoặc pha trộn, cho thấy rằng mặc dù có sự khác biệt do cấu trúc động cơ, nhưng nhìn chung, hiệu suất giảm nhẹ khoảng 5% và mức tiêu thụ nhiên liệu tăng lên tới 15%.
Dầu diesel sinh học chứa oxy, giúp cải thiện quá trình đốt cháy và giảm lượng khí thải CO, cũng như các hạt và khói thải nhìn thấy Tuy nhiên, điều này cũng dẫn đến sự gia tăng khí thải NOx do nhiệt độ đốt cháy cao hơn.
Một trong những nhược điểm lớn nhất của dầu diesel sinh học là sự suy giảm tính chất của các chất bôi trơn Do nhiệt độ sôi cao, dầu diesel sinh học có thể chảy vào thùng qua quá trình thổi, dẫn đến việc làm loãng chất bôi trơn và thay đổi tính chất của các phụ gia.
Dầu diesel sinh học có khả năng tẩy rửa, nhưng điều này có thể dẫn đến việc tạo ra cặn trong bể chứa nhiên liệu, gây tắc nghẽn đường nhiên liệu trong hệ thống phun Ngoài ra, dầu diesel sinh học không tương thích với một số loại vật liệu nhựa trong đường ống, do đó cần phải thay thế các đường ống này để đảm bảo hiệu suất hoạt động.
Các tác giả đã thực hiện các cuộc điều tra bằng cách sử dụng các hỗn hợp khác nhau của dầu diesel sinh học và dầu diesel, bao gồm các tỷ lệ 100%, 80%, 70%, 50%, 30%, 20% và 0% thể tích của diesel sinh học Nghiên cứu được tiến hành trên sáu xi lanh diesel phun trực tiếp, với các thông số kỹ thuật được trình bày trong Bảng 3 Động cơ này thường được sử dụng trên các tuyến xe buýt đô thị địa phương.
Các thử nghiệm sơ bộ đã được tiến hành để đánh giá sự thay đổi hiệu suất động cơ và khí thải theo tỷ lệ nhiên liệu sinh học Biểu đồ 1 và 2 minh họa mô-men xoắn và SFC (lượng tiêu thụ nhiên liệu) cho các hỗn hợp khác nhau, với các đường cong thể hiện kết quả trung bình từ nhiều loạt thử nghiệm theo tiêu chuẩn ISO Để hoàn toàn thay thế lượng nhiên liệu, không có sự thay đổi nào được thực hiện trên các điểm đặt động cơ.
Bảng 3 Các thông số của động cơ
Tỉ số nén 17 : 1 Đường kính 125/130 mm
Công suất tối đa 158 kW ở 2600 rpm
Công suất mô men 628 Nm ở 1600 rpm
Góc đánh lửa sớm kim phun 24º PPMS
Hệ thống phun Trực tiếp
Hệ thống làm mát Làm mát bằng nước
Sự gia tăng tỷ lệ diesel sinh học trong hỗn hợp có thể dẫn đến giảm công suất và mô-men xoắn trên toàn bộ phạm vi tốc độ Cụ thể, với dầu diesel sinh học nguyên chất, công suất giảm khoảng 3% và mô-men xoắn cực đại giảm khoảng 5% Đặc biệt, mô-men xoắn cực đại của dầu diesel sinh học tinh khiết đạt được ở tốc độ quay cao hơn, điều này có thể liên quan đến sự gia tăng tốc độ bắt cháy Sự thay đổi này có thể làm thay đổi đỉnh áp suất đến gần với TDC (điểm chết trên).
Biểu đồ 3-5 chỉ ra tác động của góc phun sớm đến công suất, mô-men xoắn và SFC khi sử dụng diesel sinh học nguyên chất SFC của dầu diesel nguyên chất với góc phun sớm danh nghĩa được so sánh, cho thấy sự gia tăng đáng kể của SFC (khoảng +16%) trên toàn bộ phạm vi tốc độ khi sử dụng diesel sinh học Tuy nhiên, bằng cách giảm góc phun sớm, quá trình đốt cháy có thể được tối ưu hóa, cải thiện hiệu suất, đặc biệt là ở tốc độ thấp và trung bình Việc giảm góc phun không chỉ giúp tăng công suất và mô-men xoắn mà còn giảm SFC.
Biểu đồ 1 cho thấy mô-men xoắn của dầu diesel và các hỗn hợp dầu diesel sinh học khác nhau, với ảnh hưởng của góc phun sớm đối với khí thải CO và NOx được đo bằng công suất tối đa và tốc độ mô-men xoắn cực đại Việc giảm góc phun sớm giúp giảm lượng khí thải CO ở tốc độ trung bình, cải thiện sự đốt cháy ở tốc độ thấp, nhưng không còn rõ rệt ở tốc độ cao Ngược lại, khí NOx giảm trên toàn bộ phạm vi tốc độ do nhiệt độ trung bình thấp hơn Các động cơ đã được thử nghiệm và sử dụng trên tuyến xe buýt đô thị với nhiên liệu gồm 30% dầu diesel sinh học và 70% dầu diesel, đã được theo dõi từ mùa đông năm 2001 để đánh giá tác động lâu dài của diesel sinh học và hỗn hợp của nó đối với mức tiêu thụ nhiên liệu, chi phí bảo trì và độ tin cậy Để đảm bảo an toàn cho chất bôi trơn, các chất bôi trơn bán tổng hợp và thành phần Viton đã được sử dụng, cùng với bộ lọc hiệu quả cao cho hệ thống nhiên liệu và dầu bôi trơn Các mẫu dầu bôi trơn và bộ lọc bị mòn cần được phân tích định kỳ để đánh giá sự suy giảm chất bôi trơn và hàm lượng kim loại hao mòn.
Biểu đồ 2 trình bày mức tiêu thụ nhiên liệu cụ thể của dầu diesel và các loại dầu diesel sinh học khác Để thực hiện so sánh, hai động cơ tương tự được lắp đặt trên hai xe buýt và sử dụng dầu diesel thông thường trong cùng điều kiện hoạt động Bảng 4 và 5 đã chỉ ra các quãng đường đã thực hiện, mức tiêu thụ nhiên liệu và khí thải trong giai đoạn thử nghiệm được báo cáo.
Biểu đồ 3: Ảnh hưởng của góc phun sớm tới công suất
Biểu đồ 4: Ảnh hưởng của góc phun sớm tới mô men
Biểu đồ 5: Ảnh hưởng của góc phun sớm đến mức tiêu hao năng lượng
Biểu đồ 6: Ảnh hưởng của góc phun sớm tới khí thải
Bảng 4: Kết quả toàn cầu về thử nghiệm trên đường trong giai đoạn 2/12/2001 -
Số ngày Tổng quãng đương (km)
Tổng khối lượng tiêu thụ nhiên liệu Đơn vị khoảng cách
Sự chênh lệch ở các đơn vị khoảng cách
Xe bus 1 Biodiesel (hỗn hợp 30-70%)
Xe bus 2 Biodiesel (hỗn hợp 30-70%)
Bảng 5 Kết quả toàn cầu về lượng khí thải trên đường trong giai đoạn 2/12/2001
CO (% vol) CO 2 (% vol) O 2 (% vol) HC (ppm) NO x (ppm)
Sự chênh lệch về mức tiêu thụ nhiên liệu giữa các xe buýt sử dụng diesel sinh học và các loại xe khác là rất rõ ràng, với mức tiêu thụ khác nhau từ 2,6% đến 23% Mặc dù giá trị nhiệt của dầu diesel cao hơn (43.000 kJ/kg) so với dầu diesel sinh học (37.000 kJ/kg), nhưng điều này không thể giải thích hoàn toàn sự khác biệt Các con đường trong thành phố được sử dụng cho bốn xe buýt là giống nhau, cho thấy rằng còn nhiều yếu tố khác ảnh hưởng đến mức tiêu thụ nhiên liệu Một trong những yếu tố quan trọng là cần giảm góc phun sớm để tối ưu hóa quá trình đốt cháy diesel sinh học, điều này đã được xác nhận từ các thử nghiệm trước đó.
Mức giảm trung bình của hàm lượng HC và CO khi sử dụng dầu diesel sinh học lần lượt là 13,5% và 3%, nhờ vào hàm lượng oxy có trong dầu diesel sinh học Tuy nhiên, giá trị NOx lại tăng khoảng 9%, theo các kết quả nghiên cứu đã được công bố.
Một số cân nhắc về mặt kinh tế
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng chi phí sản xuất dầu diesel sinh học phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm địa điểm trồng đậu nành, kỹ thuật nông nghiệp áp dụng và công nghệ xử lý cần thiết Tại Ý, chi phí trung bình để sản xuất diesel sinh học cao gấp 2 đến 3 lần so với diesel truyền thống, chưa bao gồm thuế tiêu thụ và thuế VAT.
Kể từ năm 1993, chính phủ Ý đã tích cực khuyến khích sử dụng dầu diesel sinh học bằng cách bãi bỏ thuế tiêu thụ, với mức tiêu thụ tối đa hàng năm đạt 125.000 tấn Đến năm 2001, con số này đã tăng lên 300.000 tấn mỗi năm.
Việc sử dụng diesel sinh học trong lò hơi hoàn toàn khả thi mà không gặp phải vấn đề nào Chỉ cần thực hiện một số thay đổi nhỏ trên đầu đốt mà không ảnh hưởng nhiều đến hiệu quả kinh tế Chi phí vận hành lò hơi phụ thuộc vào các đặc tính vật lý và hóa học của diesel sinh học, với LHV thấp hơn và mật độ cao hơn Hiệu suất của lò hơi khi sử dụng diesel sinh học giảm khoảng 5%, nhưng chi phí diesel sinh học lại thấp hơn, thường chênh lệch khoảng 0,05 € mỗi lít.
Với các điều kiện này, xuất phát từ các kết quả được trình bày trong đoạn
Việc sử dụng dầu diesel sinh học mang lại nhiều thuận lợi hơn so với dầu diesel truyền thống, với chi phí nhiệt năng giảm khoảng 5% Mặc dù năng suất đã được cải thiện, chi phí vận hành giữa dầu diesel sinh học và dầu diesel vẫn tương đương, chỉ chênh lệch không đáng kể (+0,64% cho dầu diesel sinh học).
Để vận hành động cơ diesel bằng dầu diesel sinh học, các thay đổi cần thiết đã được trình bày ở các phần trước Những điều chỉnh này là nhỏ và không làm tăng chi phí hoạt động của động cơ khi sử dụng loại nhiên liệu này.
Các yếu tố chính ảnh hưởng đến chi phí vận hành bao gồm chi phí nhiên liệu, mật độ nhiên liệu và hiệu suất động cơ, được thể hiện qua chỉ số SFC.
Chi phí của dầu diesel sinh học cho động cơ đốt trong (ICE) cao hơn một chút so với dầu diesel, với chênh lệch khoảng 0,06 € mỗi lít Hệ số tiêu thụ nhiên liệu (SFC) được coi là một yếu tố quan trọng liên quan đến tốc độ động cơ, và SFC của dầu diesel sinh học cao hơn so với dầu diesel Các nghiên cứu trước đây cho thấy giá trị trung bình của SFC đối với dầu diesel sinh học cao hơn dầu diesel khoảng 17% Thêm vào đó, các thử nghiệm trên các loại động cơ khác nhau đã chỉ ra rằng giá trị trung bình của SFC có thể dao động từ 5% đến 20%.
Dưới các điều kiện này, chi phí cụ thể tính bằng đơn vị € / kWh cho thấy mức tăng khoảng 2,1% Nếu chi phí của hai loại nhiên liệu tương đương, chi phí cụ thể cho động cơ chạy bằng dầu diesel sinh học cao hơn khoảng 9,8%.
Dầu diesel sinh học đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nhiên liệu cho động cơ diesel và lò hơi, với việc Ý tận dụng đất đai để trồng các loại cây như đậu nành, hạt cải dầu và hướng dương nhằm sản xuất năng lượng sinh học Sản lượng diesel sinh học hiện có khoảng 900.000 tấn, chiếm 3,9% tổng lượng tiêu thụ diesel hàng năm tại Ý Do đó, việc sử dụng hỗn hợp với một lượng nhỏ diesel sinh học là một giải pháp hợp lý trong bối cảnh hiện tại.
Đánh giá việc sử dụng dầu diesel sinh học
Việc thúc đẩy diesel sinh học cần dựa trên phân tích chu kỳ vòng đời, xem xét cả ưu điểm và nhược điểm của nó trong lò hơi và động cơ đốt trong Tất cả các quy trình trực tiếp và gián tiếp liên quan đến sản xuất diesel sinh học phải được tính đến để đưa ra quyết định chiến lược hiệu quả.
Nghiên cứu hiện nay đang tập trung vào vòng đời hoàn chỉnh của dầu diesel sinh học thông qua các phương pháp đa dạng, bao gồm đánh giá vòng đời sản phẩm (LCA) và phân tích năng lượng.
Các phân tích bao gồm sản xuất nông nghiệp đậu tương, quy trình nghiền để chiết xuất dầu, và quá trình este hóa để tạo ra dầu diesel sinh học Bên cạnh đó, việc vận chuyển các bán thành phẩm khác cũng được xem xét.
Tất cả các bước đã được xem xét kỹ lưỡng, bao gồm cả các dòng năng lượng và vật liệu, dựa trên quy trình kiểm kê đánh giá của LCA.
Sản lượng của quá trình sản xuất trong giai đoạn nông nghiệp, quá trình nghiền và chuyển đổi sang diesel sinh học đã được thể hiện trong bảng 6
Bảng 6: Năng xuất trong sản xuất
Năng suất cây đậu tương (t / km 2 ) 245
Dầu đậu nành được nghiền (kg dầu / kg đậu nành) 0.37
Bột đậu nành (kg bột / kg đậu nành) 0.47
Biodiesel (kg biodiesel / kg dầu) 0.95
Trong quá trình sản xuất và sử dụng dầu diesel sinh học, việc xác định lượng khí thải CO2 là rất quan trọng, đặc biệt là với tỷ lệ glyxerin (0.20 kg glyxerin / kg dầu) Cần phân bổ đều lượng CO2 phát thải từ tất cả các quy trình lên các sản phẩm và sản phẩm phụ như dầu diesel sinh học, glyxerin thô, bột đậu nành và xà phòng.
Cuộc điều tra hiện tại tập trung vào điều kiện thu hoạch đậu tương ở miền Bắc nước Ý, với sản lượng đạt 2445 kg/ha Đồng thời, nghiên cứu cũng xem xét lượng nhiên liệu tiêu thụ là 116,5 kg/ha và việc sử dụng phân bón, bao gồm 80 kg/ha nitơ, 43 kg/ha phốt phát và 51 kg/ha kali Bên cạnh đó, điều tra còn đánh giá lượng dầu cần thiết cho các nhà máy chuyển đổi diesel sinh học.
Trong nghiên cứu về lượng khí thải CO2 từ quy trình sản xuất biodiesel, giả định đầu tiên cho rằng khí thải này được phân bổ theo tỷ lệ khối lượng sản phẩm Theo đó, lượng CO2 thải ra ước tính khoảng 0.21 kgCO2 cho mỗi kg biodiesel Nếu tính toán dựa trên toàn bộ lượng CO2 được tạo ra từ các quy trình, con số này sẽ thay đổi tương ứng với các tùy chọn phân bổ khác nhau, với 300.000 kcal cho hơi nước và 28 kWh cho điện từ mỗi tấn biodiesel.
0,772 kgCO2 / kg Lưu ý rằng tại ống xả, lượng này là khoảng 65,0% tổng lượng
CO2 phát ra (xem Hình 7) Với sự so sánh này thì toàn bộ lượng khí thải diesel là
Biểu đồ 7: Lượng khí thải CO2
Biểu đồ 8: Yêu cầu về năng lượng
Năng lượng hóa thạch đóng vai trò quan trọng trong tất cả các quy trình sản xuất dầu diesel sinh học, ảnh hưởng đến việc đánh giá tính tái tạo của nhiên liệu sinh học Đánh giá này được thực hiện thông qua phương pháp LCA, nhằm xem xét các yêu cầu về nhiên liệu cả trực tiếp và gián tiếp.
Kết quả nghiên cứu cho thấy tổng nhu cầu năng lượng để sản xuất 1 MJ nhiên liệu sinh học là 1.398 MJ, trong đó 35% đến từ nhiên liệu hóa thạch Biểu đồ trong hình 8 mô tả chi tiết năng lượng cần thiết cho từng giai đoạn Sự biến đổi năng lượng càng cao thì mức độ hỗ trợ môi trường để sản xuất một đơn vị sản phẩm càng lớn Bảng 7 so sánh một số giá trị biến đổi của các loại nhiên liệu khác nhau.
Bảng 7: Biến đổi nhiên liệu
Kết quả nghiên cứu cho thấy biến đổi của nhiên liệu sinh học lớn hơn so với nhiên liệu hóa thạch, điều này chỉ ra rằng cần nhiều tài nguyên hơn để sản xuất sản phẩm, từ đó gia tăng sự hỗ trợ môi trường Sự khác biệt này có thể được giải thích bởi các quy trình tự nhiên, vốn hiệu quả hơn so với các quy trình công nghiệp trong việc khai thác nhiên liệu hóa thạch Ngoài ra, thời gian hình thành nhiên liệu hóa thạch cũng khác biệt rõ rệt so với thời gian cần thiết để sản xuất sinh khối.
Tình hình nghiên cứu sản xuất và ứng dụng Biodiesel tại Việt Nam
Nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt và là nguyên nhân chính gây ra biến đổi khí hậu Do đó, phát triển nguồn năng lượng sạch là giải pháp chiến lược lâu dài để đảm bảo an ninh năng lượng, bảo vệ môi trường và giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu tại Việt Nam.
Nghiên cứu và phát triển nguồn năng lượng sạch, tái tạo để thay thế nhiên liệu hóa thạch là nhiệm vụ cấp bách, cần sự quan tâm từ nhà nước và các tổ chức liên quan.
Năng lượng tái tạo, bao gồm ánh sáng mặt trời, gió, mưa, thủy triều và địa nhiệt, là các nguồn năng lượng tự nhiên có khả năng tái bổ sung Việt Nam được xem là một trong những quốc gia có tiềm năng lớn trong việc sản xuất và phát triển năng lượng tái tạo.
Theo PGS.TSKH Lưu Văn Bôi, Biodiesel (BDF) đóng vai trò quan trọng trong nhiên liệu sinh học và hoàn toàn tái sinh BDF là một trong những giải pháp tối ưu để đảm bảo an ninh năng lượng trong tương lai, đồng thời giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu toàn cầu.
BDF không chứa lưu huỳnh và khi đốt cháy, khí CO2 thải ra chỉ bằng 50% so với nhiên liệu hóa thạch Lượng bụi trong khí thải giảm một nửa, trong khi hợp chất hydrocarbon giảm đến 40% Nhờ vào tính chất này, BDF được coi là thân thiện với môi trường, đóng vai trò quan trọng trong vòng tuần hoàn kín của khí CO2.
Việt Nam sở hữu nguồn nguyên liệu phong phú để sản xuất BDF, nhưng sự phát triển của ngành này còn gặp nhiều khó khăn Theo PGS.TSKH Lưu Văn Bôi, việc thiếu luật và chính sách cụ thể về năng lượng tái tạo, cùng với cơ chế khuyến khích đầu tư chưa rõ ràng, là những nguyên nhân chính hạn chế sản xuất BDF Hơn nữa, người dân chưa nhận thức đầy đủ về lợi ích của việc phát triển vùng nguyên liệu, và công nghệ sản xuất hiện tại chưa phù hợp để tận dụng hiệu quả các nguyên liệu sẵn có.
Khoa Hóa học hiện đang tiến hành sản xuất BDF quy mô pilot với mỗi mẻ đạt 350kg B100, thời gian phản ứng và tách glycerin lần lượt là 30 phút Sau khi rửa và sấy khô, BDF đạt chất lượng vượt tiêu chuẩn ASTM D6751 của Mỹ Sản phẩm BDF đã được thử nghiệm trên máy phát điện, máy cày, máy bơm nước và xe công nông, cho thấy độ an toàn cao trong thời gian sử dụng dài Công nghệ đồng dung môi đã hoàn thiện về quy trình và thiết bị, sẵn sàng chuyển giao cho các cơ sở và địa phương có nhu cầu phát triển BDF ở mọi quy mô.
Khoa Hóa học đang tập trung vào nghiên cứu và phát triển năng lượng sạch thông qua hai hướng chính: sản xuất pin nhiên liệu và chuyển hóa khí cacbonic thành etanol bằng năng lượng mặt trời Những nghiên cứu này ngày càng được chú trọng trong bối cảnh hiện nay, bên cạnh công nghệ đồng dung môi để sản xuất BDF.
Hiện nay, các dự án nghiên cứu ứng dụng biodiesel vẫn còn hạn chế, chưa có dự án nào được triển khai một cách toàn diện Nguyên nhân chủ yếu là do giá thành cao, yêu cầu kỹ thuật phức tạp, tiêu chuẩn nghiêm ngặt và vấn đề chính sách liên quan đến nhiên liệu sinh học này.
Công nghệ sản xuất biodiesel tại Việt Nam đã được nghiên cứu hơn 10 năm, với nhiều kết quả lý thuyết và thực tiễn khả quan Nhóm nghiên cứu của tác giả Hồ Sơn Lâm và cộng sự tại Viện Khoa Học Vật Liệu Ứng Dụng TP HCM, cùng với các chuyên gia từ Trường Đại Học Jena, Đức, đã tổng hợp biodiesel từ dầu thực vật Việt Nam thông qua phản ứng este hóa, đồng thời khảo sát các chỉ số hóa lý theo tiêu chuẩn Châu Âu Họ đã nghiên cứu động học, cơ chế làm việc và điều kiện phản ứng để chế biến biodiesel, sử dụng phương pháp GC-MS để xác định thành phần hóa học Nhóm cũng phát hiện các chất phụ gia chống oxy hóa và thử nghiệm trên động cơ máy phát điện và xe ô tô Mekong, đồng thời khảo sát hàm lượng chất độc hại trong khí thải Một nhóm nghiên cứu khác do tác giả Nguyễn Đình Thành tại Viện Công Nghệ Hóa Học đã thành công trong việc tổng hợp Zeolite ETS-10, ứng dụng trong phản ứng trao đổi este từ dầu mỡ thải thành biodiesel với hiệu suất trên 97%, có khả năng thu hồi và tái sử dụng dễ dàng Nhóm nghiên cứu của tác giả Nguyễn Thị Phương Thoa tại Trường Đại Học Khoa Học cũng đóng góp vào lĩnh vực này.
Đại Học Quốc Gia TP HCM đã nghiên cứu điều chế biodiesel từ ba nguồn dầu thải: dầu nành, dầu cọ và dầu thu gom từ nhà hàng Nghiên cứu khảo sát động học phản ứng và hiệu suất tạo biodiesel trong các điều kiện khác nhau, xác định điều kiện tối ưu cho phản ứng trao đổi este Kết quả cho thấy hiệu suất tạo biodiesel đạt trên 90% với hàm lượng methyl este cũng trên 90%, sản phẩm không chứa glycerine và dầu dư, đáp ứng tiêu chuẩn ASTM Nghiên cứu về năng lượng biodiesel còn được tiếp tục bởi nhóm tác giả Thái Xuân Du và TS Lê tại Viện Sinh Học Nhiệt Đới TP HCM.
Võ Định Tường tại Viện Hóa Học Các Hợp Chất Tự Nhiên TP HCM đã nghiên cứu tiềm năng cây dầu mè làm nguyên liệu sản xuất biodiesel sinh học, thay thế các nguồn nguyên liệu hiện có Nghiên cứu đã xác định điều kiện trồng, thành phần dầu mè và các chỉ tiêu hóa lý của nó Dự báo rằng chương trình phát triển cây dầu mè và biodiesel từ dầu mè ở Việt Nam sẽ đạt được nhiều thành tựu lớn Tại Trường Đại Học Bách Khoa, nghiên cứu biodiesel từ dầu thực vật đã bắt đầu từ năm 2000, với nhóm tác giả Phan Minh Tân nghiên cứu sử dụng dầu dừa và dầu thải từ nhà hàng làm nguyên liệu, sử dụng các bazơ như NaOH, KOH hoặc enzyme làm xúc tác Nhóm Trần Thị Việt Hoa đã tận dụng mỡ cá basa từ nhà máy chế biến cá làm nguyên liệu cho biodiesel, với các xúc tác như KOH, NaOH và axít sulfonic, trong điều kiện gia nhiệt thông thường và hỗ trợ vi sóng Mặc dù đã đưa ra các điều kiện tối ưu cho phản ứng biodiesel ở quy mô phòng thí nghiệm, vấn đề định lượng sản phẩm và kiểm định thông số vật lý vẫn chưa được giải quyết Dự án sản xuất biodiesel thử nghiệm tiêu biểu là nhóm nghiên cứu của Trung Tâm Nghiên Cứu Công Nghệ lọc Hóa dầu-Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM với quy mô 2000 lít biodiesel từ dầu ăn phế thải.
Kết luận
Bài viết này trình bày kết quả đầu tiên của cuộc điều tra về giá trị tiềm năng của dầu diesel sinh học như một nhiên liệu thay thế cho lò hơi.
Diesel sinh học được xem là một giải pháp tiềm năng cho lò hơi, chỉ cần điều chỉnh nhỏ là có thể đạt hiệu suất tương đương với dầu truyền thống.
Các cuộc điều tra cho thấy việc sử dụng dầu diesel sinh học nguyên chất và pha trộn với dầu diesel dẫn đến hiệu suất giảm nhẹ nhưng SFC tăng đáng kể Mặc dù lượng khí thải CO giảm, nhưng NOx lại tăng Thử nghiệm sơ bộ cho thấy việc tối ưu hóa góc phun sớm có thể cải thiện cả hiệu suất và khí thải.
Khi sử dụng dầu diesel sinh học, cần thực hiện một số biện pháp phòng ngừa như làm sạch thùng chứa và lưu ý rằng nhiên liệu này không phù hợp với một số vật liệu nhựa trong đường ống Chi phí sản xuất dầu diesel sinh học hiện vẫn cao hơn so với dầu diesel truyền thống, chỉ cạnh tranh khi không áp dụng thuế tiêu thụ Tuy nhiên, việc sử dụng dầu diesel sinh học đã góp phần giảm đáng kể lượng khí thải CO2 toàn cầu và giảm các chất ô nhiễm từ động cơ, được xem là giải pháp quan trọng để giảm ô nhiễm đô thị Để tối ưu hóa các đặc tính của dầu diesel sinh học, cần thực hiện nghiên cứu kỹ lưỡng về động lực khí đốt.
Quy trình sản xuất Biodiesel và quá trình cháy của nhiên liệu Biodiesel
Sản xuất nguyên liệu
Nhiên liệu sinh học lỏng, đặc biệt là dầu diesel sinh học, được sản xuất từ nhiều loại nguyên liệu khác nhau như dầu thực vật, chất thải từ lò giết mổ và dầu chiên thải Tùy thuộc vào vị trí địa lý, các loại cây trồng như hạt cải, hướng dương, ngô và đậu được sử dụng ở vùng ôn đới, trong khi dầu cọ, dầu mè và đậu nành phổ biến ở vùng nhiệt đới Gần đây, nguyên liệu sinh khối xenlulozơ và vi tảo cũng đang được nghiên cứu để phù hợp với nhiều khí hậu khác nhau Theo ước tính của FAO năm 2009, sản lượng hạt toàn cầu cho ngành thực phẩm và nhiên liệu sinh học trong năm 2007/2008 đạt 220,8 triệu tấn đậu nành, 48,9 triệu tấn hạt cải dầu, 20,2 triệu tấn hạt hướng dương và 10,1 triệu tấn hạt cọ Châu Âu hiện chiếm khoảng 90% sản lượng dầu diesel sinh học toàn cầu, chủ yếu từ dầu hạt cải Các loại hạt này không chỉ cung cấp dầu và chất béo cho con người mà còn được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm và làm nguyên liệu cho thức ăn chăn nuôi.
Việc trồng trọt và thu hoạch được thực hiện từ góc độ kỹ thuật hóa học, với sự tham gia của các kỹ sư nông học và chuyên gia nông nghiệp Các mô tả chính xác về yêu cầu và thực hành canh tác cho nguyên liệu diesel sinh học có thể được tìm thấy Tuy nhiên, tùy thuộc vào loại nguyên liệu, các quy trình tiền xử lý khác nhau cần được xem xét để đảm bảo tối ưu hóa quy trình sản xuất diesel sinh học và đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng nhiên liệu cuối cùng (Canakci và Sanli, 2008).
Việc lựa chọn nguyên liệu trong sản xuất có thể ảnh hưởng đáng kể đến quá trình này, đặc biệt trong bối cảnh môi trường ngày càng được chú trọng Các cây trồng dầu thực vật như đậu nành và dầu cọ không chỉ là nguồn thực phẩm thiết yếu cho con người mà còn liên quan đến ngành chăn nuôi Việc sử dụng những nguyên liệu này để sản xuất diesel sinh học có thể làm tăng giá trị và dẫn đến chi phí sản xuất cao hơn Hơn nữa, việc khai thác rừng và đất hoang cũng làm giảm đa dạng sinh học và ảnh hưởng tiêu cực đến sản xuất lương thực cho con người (Bickel và Dros, 2003).
Gần đây, vi tảo đã thu hút sự chú ý như một nguyên liệu diesel sinh học, giúp giảm nhiều vấn đề liên quan đến cây trồng dầu thực vật Vi tảo cần diện tích đất ít hơn nhiều so với các nguyên liệu diesel sinh học khác, giảm tới 49 hoặc 132 lần so với cây cải dầu hoặc đậu nành, với hàm lượng dầu khoảng 30% trong khối lượng sinh khối (Chisti, 2007) Thêm vào đó, vi tảo dễ trồng, phát triển với chi phí thấp và việc sử dụng nước tưới không ảnh hưởng đến tiêu thụ nước của con người.
Vi tảo có khả năng phát triển trong điều kiện khắc nghiệt và môi trường nghèo dinh dưỡng, cho phép chúng được trồng ở những khu vực không phù hợp cho nông nghiệp Sự tồn tại độc lập của vi tảo, bất chấp sự thay đổi thời tiết theo mùa, đã làm giảm cạnh tranh đất trồng trọt với các loại cây trồng khác, đặc biệt là cây trồng phục vụ cho nhu cầu tiêu dùng của con người Điều này mở ra cơ hội kinh tế mới cho các vùng khô hạn và đất bị nhiễm mặn (Schenk và cộng sự, 2008).
Vi tảo đang trở thành nguồn dầu thay thế hiệu quả với năng suất cao và tốc độ tăng trưởng vượt trội so với các nguyên liệu diesel sinh học truyền thống Chúng có khả năng tự sinh sản qua quá trình quang hợp, chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng hóa học chỉ trong vài ngày Nghiên cứu cho thấy vi tảo không chỉ có thể sản xuất dầu mà còn giúp kiểm soát ô nhiễm bằng cách thu CO2 từ khí thải và loại bỏ nitơ, phốt pho từ nước thải, đồng thời có thể được sử dụng để sản xuất các hóa chất giá trị cao khác.
Vi tảo ngày càng được ưa chuộng nhờ vào những lợi ích về môi trường và hiệu quả chi phí vượt trội so với các nguyên liệu khác.
Dầu thực vật thải ra từ nhà hàng và ngành sản xuất thực phẩm công nghiệp có giá thành thấp hơn dầu thô, thường được dùng để sản xuất dầu diesel sinh học Ngoài ra, chất béo động vật như mỡ lợn, mỡ gia cầm và dầu cá, là sản phẩm phụ của ngành chế biến thịt và cá, cũng có thể được sử dụng trong quy trình sản xuất dầu diesel sinh học.
Chế biến nguyên liệu
Sau khi thu hoạch, hạt dầu được đưa đến quá trình chiết xuất, bao gồm hai phương pháp chính: ép cơ học và chiết dung môi Trong ép cơ học, hạt giống được nung nóng từ 40ºC-50ºC và nghiền bằng máy ép trục vít Phương pháp này có thể kết hợp với chiết dung môi để tạo ra dầu tinh khiết hơn, mặc dù chi phí cao hơn Trong chiết dung môi, hexan được sử dụng để hòa tan dầu, sau đó được tách ra bằng chưng cất và có thể tái sử dụng Cuối cùng, rơm từ quá trình này có thể được sử dụng làm thức ăn chăn nuôi hoặc đốt để sản xuất năng lượng.
Trong quá trình chiết xuất dầu từ tảo, việc xử lý nhanh chóng sau khi tách tảo khỏi sinh khối là rất quan trọng, vì chúng có thể hỏng chỉ sau vài giờ trong điều kiện khí hậu nóng Quá trình chế biến tảo gặp nhiều hạn chế về mặt kinh tế, ảnh hưởng đến sản xuất hàng hóa chi phí thấp như thực phẩm, thức ăn và nhiên liệu, cũng như các sản phẩm giá trị cao hơn như b-carotene và polysacarit Việc xử lý tảo phụ thuộc vào sản phẩm mong muốn, thường bao gồm việc giảm lượng nước trong sinh khối để kéo dài thời hạn sử dụng Các phương pháp làm khô vi tảo phổ biến bao gồm sấy phun, sấy khô và phơi nắng Tuy nhiên, do hàm lượng nước cao trong tảo, sấy phun không phải là phương pháp hiệu quả về mặt kinh tế cho sản xuất bột tảo, đặc biệt đối với các sản phẩm có giá trị thấp như nhiên liệu sinh học hoặc protein.
Sau khi sấy khô, vi tảo sẽ giải phóng các chất chuyển hóa quan trọng nhờ vào sự phá vỡ tế bào Các phương pháp như đồng hóa tế bào, nghiền hạt, siêu âm, hấp khử trùng và sấy phun có thể được áp dụng tùy thuộc vào thành phần tế bào và tính chất sản phẩm Sự khô lạnh giúp biến vật liệu tảo thành bột mịn Để sản xuất dầu diesel sinh học, lipit và axit béo cần được chiết xuất từ sinh khối vi khuẩn, thường sử dụng dung môi như n-hexane hoặc ethanol 96%, với n-hexane được ưa chuộng hơn Ngoài ra, các kỹ thuật chiết xuất hỗ trợ siêu âm (UAE) và vi sóng (MAE) cũng đã được áp dụng để tối ưu hóa quá trình chiết xuất dầu từ nguồn thực vật.
Phản ứng este hóa để sản xuất dầu diesel sinh học thường yêu cầu nguyên liệu có độ tinh khiết cao, trong khi dầu thực vật tinh chế không cần xử lý trước Ngược lại, dầu thải và mỡ động vật chứa nhiều tạp chất như axit béo tự do (FFA) và nước, gây ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất phản ứng Những tạp chất này có thể làm chậm tốc độ phản ứng bằng cách ngăn cản sự tương tác giữa các chất tham gia, ngay cả với số lượng nhỏ (Canakci, 2007) FFA không thể chuyển đổi thành diesel sinh học và có thể tạo ra xà phòng, làm giảm đáng kể tốc độ phản ứng và độ chọn lọc cho diesel sinh học, đồng thời làm phức tạp quá trình tách pha sau khi phản ứng hoàn tất (Aranda và cộng sự, 2008).
Hàm lượng FFA trong dầu thải và mỡ động vật thường cao hơn 2% (w/w) và có thể đạt tới 40%, với mức trung bình khoảng 15% FFA thường là sản phẩm phụ trong ngành chế biến thực phẩm và hóa dầu, có thể chiếm 4-8% tổng lượng dầu trong quá trình tinh chế vật lý Tuy nhiên, việc thu hồi dư lượng FFA gặp nhiều khó khăn và không khả thi về mặt kinh tế Do đó, việc sử dụng FFA làm nguyên liệu thay thế trong sản xuất diesel sinh học hứa hẹn sẽ mang lại nhiều triển vọng trong tương lai gần.
Các axit béo có sự khác biệt về chiều dài chuỗi carbon và số lượng liên kết đôi, với ưu thế nổi bật của các axit béo có số lượng nguyên tử carbon chẵn Các loại dầu khác nhau chứa các axit béo với độ dài chuỗi carbon từ C12 đến C20, trong đó C16 và C18 là phổ biến nhất Các axit béo như pan-mi-tích (C16:0), stearic (C18:0), oleic (C18:1), linoleic (C18:2) và linolenic (C18:3) thường gặp trong dầu thực vật Tính chất vật lý và hóa học của dầu diesel sinh học phụ thuộc vào sự phân bố của chất béo trung tính trong quá trình sản xuất, ví dụ như điểm nóng chảy cao và độ nhớt lớn của mỡ bò có thể do hàm lượng axit stearic và pan-mi-tích cao.
Các nguyên liệu có hàm lượng FFA lớn hơn 1% (w/w) cần được xử lý để loại bỏ FFA hoặc chuyển đổi thành este trước khi thực hiện phản ứng tạo diesel sinh học Nếu không, chất xúc tác sẽ phản ứng với FFA, dẫn đến việc hình thành xà phòng và nước, quá trình này diễn ra nhanh chóng và trước khi các phản ứng este hóa có thể xảy ra (Van Gerpen và cộng sự, 2004) Phản ứng xà phòng hóa không chỉ tiêu tốn chất xúc tác mà còn gây ra các vấn đề trong các quá trình xử lý sau này và trong sản xuất diesel sinh học.
Hàm lượng FFA cao hơn 0,5% (w / w) có thể ảnh hưởng tiêu cực đến năng suất của phản ứng chuyển hóa este Nghiên cứu của Rice và cộng sự (1997) cho thấy việc giảm FFA từ 3,6% xuống 0,5% đã tăng năng suất từ 73% lên 87% Ngoài ra, Canacki và Van Gerpen (1999) cảnh báo rằng nếu mức FFA vượt quá 5%, tỷ lệ chuyển đổi este có thể giảm xuống dưới 90%.
Quá trình este hóa là một phương pháp hiệu quả để chuyển đổi axit béo tự do (FFA) thành este mê-ti-la, như đã được nghiên cứu bởi Aranda và cộng sự (2008) cũng như Issariyakul và cộng sự (2007) Phản ứng này sử dụng chất xúc tác axit và có thể được mô tả một cách cụ thể trong các nghiên cứu liên quan.
Lượng methanol dư thừa với tỷ lệ 20:1 là cần thiết để đảm bảo chuyển đổi hoàn toàn axit béo tự do (FFA) Phản ứng este hóa axit trực tiếp với lượng lớn axit béo yêu cầu loại bỏ nước sản phẩm phụ trong quá trình phản ứng, nếu không sẽ làm giảm hiệu suất sản xuất diesel sinh học Do đó, hệ thống este hóa axit cần quản lý nước để giảm thiểu lượng methanol cần thiết Một giải pháp hiệu quả là sử dụng lò phản ứng màng để loại bỏ nước trong khi phản ứng diễn ra.
Một phương pháp mới được đề xuất bởi Van Gerpen và các cộng sự (2004) cùng với Canakci và Van Gerpen (1999, 2001, 2003) là thực hiện phản ứng trong hai giai đoạn, trong đó loại bỏ metanol, axit sulfuric và nước giữa hai lần phản ứng Sau đó, họ thêm chất phản ứng mới để hoàn thành phản ứng thứ hai một cách nhanh chóng Zhang và các cộng sự (2003) đã đề xuất bổ sung glycerin sau phản ứng thứ hai để loại bỏ hoàn toàn nước khỏi dòng dầu, đồng thời giúp loại bỏ chất xúc tác axit, tránh việc trung hòa chất xúc tác kiềm trong quá trình chuyển hóa este.
Hàm lượng nước trong dầu thải và mỡ động vật có thể dao động từ 1-5% (w/w) tùy thuộc vào nguồn gốc (Rice và cộng sự, 1997) Nước có thể ức chế phản ứng este hóa, làm giảm lượng este và gây khó khăn trong việc tách este và glyxerol, cũng như làm sạch nước (Canakci, 2007; Aranda và cộng sự, 2008) Nếu nồng độ nước vượt quá 0,5%, tỷ lệ chuyển đổi este có thể giảm xuống dưới 90% (Canakci và Van Gerpen, 1999) Hơn nữa, nước còn thúc đẩy sự hình thành xà phòng khi có mặt các chất xúc tác kiềm, làm tăng tiêu thụ chất xúc tác và giảm hiệu quả của nó Để đạt hiệu quả tốt, hàm lượng nước trong nguyên liệu cần thấp hơn 0,06% (w/w) (Rice và cộng sự, 1997) Đun nóng dầu ăn thải hoặc mỡ động vật trên 100ºC, khoảng 120ºC, có thể loại bỏ lượng nước dư thừa trong nguyên liệu.
Dầu ăn thải không chỉ chứa nước và FFA mà còn có các tạp chất như hạt rắn từ quá trình chiên, rán thực phẩm và NaCl được thêm vào Để tách các hạt rắn này, có thể áp dụng các phương pháp như lọc, ép và ly tâm, tùy thuộc vào đặc tính của nguyên liệu.
Sự hiện diện của clorua có thể gây ra các vấn đề ăn mòn nghiêm trọng trong thiết bị xử lý và hệ thống đường ống Do đó, cần phải cân nhắc giữa việc gia tăng chi phí vận hành cho quá trình loại bỏ clorua và việc đầu tư vào vật liệu thiết bị chống ăn mòn, chẳng hạn như thép không gỉ.
Sau khi hoàn tất quá trình xử lý, bước tiếp theo là sản xuất dầu diesel sinh học Để giảm độ nhớt cao của dầu mỡ, Canakci và Van Gerpen (1999) khuyến nghị nên lưu trữ chúng trong bể khuấy ở nhiệt độ từ 55ºC đến 60ºC.
Quy trình sản xuất diesel sinh học
Quá trình sản xuất diesel sinh học chủ yếu dựa trên phản ứng chuyển hóa este giữa triglyceride (chất béo trung tính) và rượu.
Các nguyên liệu diesel sinh học, đặc biệt là những có nguồn gốc thực vật, thường có đặc điểm tương tự nhau Do đó, bất kỳ sự thay đổi nào trong quy trình phản ứng, đặc biệt liên quan đến thời gian phản ứng và chất lượng sản phẩm cuối cùng, đều có thể ảnh hưởng lớn đến sản xuất và quy trình tổng thể.
Phản ứng chuyển hóa este hiện nay có thể thực hiện theo nhiều phương pháp khác nhau, chủ yếu sử dụng chất xúc tác kiềm và các lò phản ứng Gần đây, một số cải tiến đã được đề xuất nhằm tối ưu hóa quá trình này, đặc biệt là khả năng hoạt động liên tục để rút ngắn thời gian phản ứng Các phương pháp mới khác cũng đang được nghiên cứu và xem xét để nâng cao hiệu quả của quá trình chuyển hóa este.
Các lò phản ứng cải tiến như máy trộn tĩnh, lò phản ứng trộn cắt liên tục, và phản ứng hỗ trợ vi sóng đã được nghiên cứu và phát triển để nâng cao hiệu quả Các nghiên cứu của Noureddini và cộng sự (1998) chỉ ra rằng máy trộn tĩnh có thể cải thiện quá trình phản ứng Bên cạnh đó, các lò phản ứng tạo bọt và siêu âm cũng đã được chứng minh là có khả năng tối ưu hóa quy trình xử lý, như được thể hiện trong các nghiên cứu của Gogate và các tác giả khác (2000-2009) cũng như Quintana (2002) và Santos (2009) Những công nghệ này đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất và hiệu quả của các quá trình hóa học.
Chất xúc tác không đồng nhất, bao gồm hóa học và enzyme vô cơ, cần phải được loại bỏ và tái chế để đảm bảo hiệu quả trong quá trình sản xuất Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra tầm quan trọng của việc xử lý chất xúc tác này (Watanabe và cộng sự, 2000; Alonzo, 2007; Al-Zuhair, 2007; Akoh và cộng sự, 2007; Barakos và cộng sự, 2007; Antunes và cộng sự, 2008; Albuquerque và cộng sự, 2008; Stewapornkulaphong và cộng sự, 2009; Ranganathan và cộng sự, 2008; Ibrahim và cộng sự, 2008).
Phản ứng chuyển hóa este từ metanol hoặc ethanol có thể diễn ra mà không cần xúc tác, tạo ra năng suất cao hơn Quá trình này cho phép triglyceride và methyl este của axit béo được chuyển hóa đồng thời, mang lại hiệu quả tối ưu trong sản xuất.
Các dung môi được sử dụng để nâng cao khả năng hòa tan của các chất phản ứng bằng cách giảm độ phân cực của hỗn hợp và tăng tốc độ phản ứng Nghiên cứu của Boocock và các cộng sự (1996, 2003e, 2004), cũng như Shi và Bao (2008), Kuramochi và các cộng sự (2008, 2009a, 2009b), đã chỉ ra rằng việc lựa chọn dung môi phù hợp có thể cải thiện hiệu quả của các phản ứng hóa học.
Trong các phần tiếp theo, bài viết sẽ trình bày và thảo luận về những lợi ích và bất lợi tương đối của các phương pháp sản xuất diesel sinh học, chú trọng vào các khía cạnh hóa học và công nghệ liên quan.
2.3.1 Quy trình thông thường để sản xuất diesel sinh học
Quy trình sản xuất diesel sinh học có chất xúc tác đồng nhất
Có nhiều phương pháp để sản xuất diesel sinh học từ nguyên liệu lipit, trong đó phổ biến nhất là quá trình chuyển hóa este các chất béo trung tính với rượu có trọng lượng phân tử thấp Quá trình này diễn ra với sự hiện diện của chất xúc tác đồng nhất, có thể là axit hoặc kiềm, và thường được thực hiện theo chế độ xử lý hàng loạt.
Quá trình chuyển hóa este có nhiều ưu điểm, bao gồm dễ thực hiện, vận hành và kiểm soát, với các phản ứng diễn ra trong pha lỏng dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất nhẹ Sự xúc tác kiềm, như hydroxit kim loại kiềm (NaOH, KOH), diễn ra nhanh hơn nhiều so với xúc tác axit, do đó thường được ưa chuộng trong quá trình này Ngoài ra, methoxide (dẫn xuất của methanol) và các-bô-nát cũng được sử dụng ở mức độ thấp hơn.
2007, 2008; Aranda và cộng sự, 2009; Han và cộng sự, 2009)
Chuyển hóa este là một phản ứng hai chiều đa dạng, bao gồm ba bước chính: triglyceride được chuyển thành diglyceride, tiếp theo là diglyceride chuyển thành monoglyceride, và cuối cùng monoglyceride chuyển thành este và glycerol Quá trình này dẫn đến sản phẩm gồm 3 mol axit béo ankin monoeste (diesel sinh học) và một mol glycerol là sản phẩm phụ.
Mối quan hệ giữa khối lượng nguyên liệu đầu vào và sản lượng diesel sinh học là khoảng 1:1 Để chuyển đổi hoàn toàn các chất béo trung tính, cần vượt quá lượng cồn chính nhằm thay đổi trạng thái cân bằng về phía sản phẩm Tỷ lệ mol rượu/dầu lý thuyết là 3:1, nhưng có thể lên tới 6:1 khi sử dụng xúc tác kiềm hoặc 12:1 với xúc tác axit, tùy thuộc vào điều kiện quá trình Mặc dù năng suất dầu diesel sinh học tăng khi sử dụng lượng cồn vượt mức, nhưng chi phí sản xuất cũng tăng do khối lượng nguyên liệu cần thiết cho lò phản ứng và sự khó khăn trong việc tách glycerol.
Sau khi các hóa chất được trộn lẫn, hai pha cơ bản hình thành không thể tách rời: một pha chứa triglyceride và este, và pha còn lại chứa glycerol và rượu Sử dụng chất xúc tác kiềm, các phản ứng hóa học xảy ra do quá trình xà phòng hóa (Ataya và cộng sự, 2008) Để tăng cường quá trình chuyển khối, các thùng của lò phản ứng được khuấy mạnh hơn (Ataya, 2008).
Trong điều kiện thực tế, đặc biệt ở nhiệt độ từ 50 đến 70ºC, quá trình chuyển đổi dầu thường hoàn tất sau vài giờ Sau khi phản ứng kết thúc, glycerol được tách ra bằng cách cho phép hình thành và lắng xuống hai pha Tiếp theo, lượng rượu dư không phản ứng và chất xúc tác được loại bỏ và tái chế trở lại lò phản ứng, tuy nhiên, việc này làm tăng độ phức tạp và chi phí vận hành của quy trình.
Cải tiến từ quy trình thông thường
Các kế hoạch đang được nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu suất của quy trình sản xuất đồng nhất, tập trung vào việc giải quyết các vấn đề cụ thể đã được xác định trước đó.
Kết luận
Diesel sinh học là giải pháp khả thi cho ngành vận tải nhằm giảm thiểu phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và giảm tác động tiêu cực đến môi trường, đặc biệt là lượng CO2 và các hạt ô nhiễm khác Sản xuất diesel sinh học có thể sử dụng đa dạng nguyên liệu, bao gồm dầu thực vật ăn được, không ăn được và các chất thải lipid, tạo ra nguồn tài nguyên tái tạo hiệu quả.
Mặc dù sản xuất diesel sinh học đang phát triển, lĩnh vực này vẫn còn mới mẻ và dự kiến sẽ có nhiều cải tiến trong tương lai Việc ưu tiên sử dụng cây dầu thực vật làm thức ăn chăn nuôi có thể dẫn đến các vấn đề nghiêm trọng, như việc xóa rừng nhiệt đới và đất than bùn giàu đa dạng sinh học và trữ lượng carbon Để giải quyết những vấn đề này, nhiều lựa chọn nguyên liệu mới với năng suất sinh khối và dầu cao hơn đang được nghiên cứu, chẳng hạn như vi tảo hoặc các loại nguyên liệu không trực tiếp nằm trong chuỗi thức ăn của con người, nhằm giảm thiểu tác động đến môi trường.
Trong lĩnh vực sản xuất, nhiều đơn vị hiện tại đang áp dụng quy trình xúc tác đồng nhất kiềm, thường hoạt động theo chế độ hàng loạt và tốn thời gian để đạt được chuyển đổi hoàn toàn chất phản ứng Quy trình sản xuất diesel sinh học truyền thống rất nhạy cảm với ô nhiễm, đặc biệt là nước, điều này gây ảnh hưởng tiêu cực đến phản ứng hóa học Do đó, có nhiều cơ hội để cải tiến quy trình, nhằm phát triển các phương pháp nhanh, liên tục và hiệu quả hơn, có khả năng xử lý nhiều loại nguyên liệu với các đặc điểm khác nhau Hiện tại, nhiều lựa chọn đang được thử nghiệm, trong đó một số cải thiện quy trình hiện tại, trong khi những cái khác lấy cảm hứng từ kiến thức và chuyên môn của ngành hóa dầu.
Trong tương lai gần, quy trình sản xuất diesel sinh học sẽ được tích hợp sâu hơn vào nền kinh tế sinh học Các phương pháp chuyển đổi sinh khối sẽ ngày càng được áp dụng để sản xuất nhiên liệu, điện và hóa chất cần thiết cho các thế hệ hiện tại và tương lai Khái niệm nhà máy sinh học đang phát triển thành một cơ sở sản xuất, nơi sinh khối được chuyển đổi thành nhiều sản phẩm tương tự như nhà máy lọc dầu, hiện đang cung cấp phần lớn nhiên liệu và hóa chất thiết yếu Việc sản xuất dầu diesel sinh học từ chất béo trung tính và các hóa chất khác như este sẽ đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế dựa trên tài nguyên tái tạo và công nghệ sinh học.
