PHẦN II: NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. CƠ SỞ LÝ LUẬN
1.1.1. Xăng sinh học 1.1.1.1. Khái niệm
Xăng sinh học E5 (hay còn gọi là gasohol) là hỗn hợp của 95% xăng không chì và 5% ethanol nhiên liệu biến tính (nồng độ 97%). Do cồn có trị số octan cao nên khi pha vào xăng sẽ làm tăng trị số octan cho hỗn hợp nhiên liệu. Trị số octan này giúp làm giảm hiện tượng kích nổ, tăng hiệu suất cháy, cho động cơ vận hành êm hơn và tăng tuổi Vì vậy xăng thương phẩm bắt buộc phải bảo đảm được các yêu cầu không những liên quan đến quá trình cháy trong động cơ, hiệu suất của động cơ mà còn phải bảo đảm các yêu cầu về môi trường.
Thông thường xăng thương phẩm cần đạt được các yêu cầu cơ bản như sau:
- Khởi động tốt ở nhiệt độ thấp.
- Động cơ hoạt động không bị kích nổ.
- Không kết tủa, tạo băng.
- Không tạo nút hơi.
- Dầu bôi trơn bị pha loãng bởi xăng là ít nhất.
- Trị số octane ít bị thay đổi.
- Các chất độc hại thải ra môi trường càng ít càng tốt. thọ động cơ.
1.1.1.2. Đặc điểm
+ Xăng- etanol(C2H5OH) :
Hiện đang là loại xăng thông dụng trên thế giới vì dễ dàng chế biến từ đường và tinh bột.
Xăng E5 được bán trên thị trường hiện nay là hỗn hợp của 95% xăng không chì A92 với 5% etanol, nồng độ 99,7%. Etanol này có thể chạy động cơ xe hơi chạy bằng xăng. Khi cháy, một phần tử etanol sinh ra một nhiệt lượng 1409kJ. Tuy nhiên, Etanol chứa 33% năng lượng ít hơn xăng cổ sinh, nên cần nhiều etanol hơn để chạy xe chạy cùng một đoạn đường. Vì vậy, xe phải có bình chứa nhiên liệu lớn hơn. Thông thường, máy xe hơi chạy hiệu nghiệm với E15 ( pha 15% etanol). Trên thị trường hiện nay cũng có một số xe hơi chạy với E10 nhưng theo khuyến cáo thì tốt nhất là dùng xăng E5.
+ Butanol (C4H10O):
Loại xăng này cho nhiều năng lượng hơn etanol và có thể đổ thẳng vào bình xăng xe mà không cần chế biến gì thêm. Chế biến từ dầu mỏ, hay từ lên men nguyên liệu sinh khối do vi khuẩn Clostridium
NHÓM SINH VIÊN THỰC HIỆN Trang 4
BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ GVHD: TRẦN HUỲNH BẢO CHÂU
acetobutylicum.
+ Methanol ( CH3OH):
Được điều chế từ khí methane (CH4) của khí đốt mỏ dầu. Methanol cũng được chế biến từ chất hữu cơ động thực vật qua phương pháp đun trong bình kín ( không có oxy và hơi nước) ở nhiệt độ cao (pyrolysis).
1.1.1.3. Tính chất
Xăng-Ethanol (C2H5OH) 99.9% có thể chạy động cơ xe-hơi-chạy-bằng-xăng. Khi cháy, một phân tử ethanol sinh một nhiệt lượng 1409 kJ. Xăng E5 được bán trên thị trường hiện nay là hỗn hợp của 95% xăng không chì A92 với 5% etanol, nồng độ 99,7%.
Butanol (C4H10O) cho nhiều năng lượng hơn ethanol và có thể đổ thẳng vào bình xăng xe mà không cần chế biến gì thêm. Chế biến từ dầu mỏ, hay từ lên men nguyên liệu sinh-khối do vi khuẩn Clostridium acetobutylicum.
Methanol (CH3OH), còn gọi methyl-alcohol được điều chế từ khí methane (CH4) của khí đốt của mỏ dầu.
Methanol cũng được chế biến từ chất hữu cơ động thực vật qua phương pháp đun trong bình kín (không có oxy và hơi nước) ở nhiệt độ cao (pyrolysis).
Trị số octane của xăng E5
Ethanol tinh khiết có trị số octane rất cao (RON=110÷120). Chính vì vậy khi pha ethanol vào condensate có tác dụng làm tăng trị số octane của hỗn hợp.
Mức độ làm tăng trị số octane của ethanol phụ thuôc vào trị số octane ban đầu của hỗn hợp. Nếu trị số octane ban đầu thấp thì khả năng làm tăng trị số octane cao và
và ngược lại.
Áp suất hơi bão hòa của xăng E5
Áp suất hơi bão hòa của ethanol 99,5% hay ethanol 95% là gần như nhau (2,4 psi) có nghĩa là thấp hơn nhiều so với xăng gốc. Tuy nhiên khi pha ethanol vào xăng ethanol lại có tác dụng tăng áp suất hơi bão hòa lên rõ rệt. Điều này được giải thích như sau:
Khi cho ethanol vào xăng thì ethanol sẽ tạo hỗn hợp đẳng phí với các cấu tử nhẹ có trong xăng như n- pentane, n-hexane... Hỗn hợp đẳng phí này có nhiệt độ sôi thấp hơn nhiều so với hỗn hợp ban đầu do đó sẽ làm tăng áp suất hơi bão hòa của Gasohol. Khả năng làm giảm nhiệt độ sôi của xăng khi cho ethanol vào phụ thuộc vào thành phần các cấu tử nhẹ có trong xăng.
Khi ta pha ethanol vào xăng với nồng độ bé hơn 5% thể tích thì RVP của hỗn hợp tăng rất nhanh và đạt cực đại tại 5% thể tích ethanol pha trộn. Tức là với 5% thể tích ethanol pha vào xăng thì vừa đủ để tạo hỗn hợp đẳng phí với các cấu tử nhẹ có trong xăng.
Trong khoảng từ 10 đến 25% thể tích ethanol pha trộn thì áp suất hơi bảo hòa của xăng giảm dần
Giảm PCI của Gasohol
Các phụ gia có chứa oxy khi pha vào xăng đều làm giảm PCI của xăng. Ethanol cũng tuân theo quy luật này. Ethanol có PCI=26,8 MJ/kg trong khi đó PCI của xăng là 42,5 MJ/kg nên khi pha ethanol vào xăng sẽ làm giảm PCI của hỗn hợp. Như vậy xét về mặt nhiệt lượng khi cháy hoàn toàn thì 1kg xăng có thể thay thế cho 1,59
NHÓM SINH VIÊN THỰC HIỆN Trang 5
BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ GVHD: TRẦN HUỲNH BẢO CHÂU
kg ethanol. Tuy nhiên khi pha ethanol vào xăng do trong phân tử ethanol có chứa oxy nên nó có tác dụng làm cho nhiên liệu cháy hoàn toàn hơn và điều này đồng nghĩa với việc làm tăng PCI của hỗn hợp. Nhưng sự tăng PCI trong trường hợp này không thể bù lại sự giảm PCI như đã trình bày ở trên. Tóm lại khi pha ethanol vào xăng thì nó sẽ làm giảm PCI của hỗn hợp.
Sự tách lớp của Gasohol
Khi dùng ethanol khan để pha vào xăng thì không xảy ra hiện tượng tách lớp của hỗn hợp Gasohol pha trộn. Tuy nhiên nếu dùng ethanol công nghiệp để pha vào xăng thì Gasohol sau khi pha trộn sẽ tách lớp (do ethanol công nghiệp có chứa một hàm lượng nước nhất định ) gây khó khăn cho việc tồn chứa và sử dụng. Hơn nữa khi dùng ethanol công nghiệp để pha trộn thì động cơ dễ bị ăn mòn. Vì vậy chỉ nên dùng ethanol khan để pha trộn vào xăng. Nếu muốn dùng ethanol công nghiệp để pha trộn Gasohol thì cần phải nghiên cứu phụ gia chống ăn mòn, phụ gia chống tách lớp để bổ xung vào xăng.
1.1.2. Quá trình hình thành và phát triển xăng sinh học 1.1.2.1. Nguồn gốc
Nhiên liệu sinh học ở thể rắn (gỗ, củi, than củi, phế thải thực và động vật,...vv ) đã được loài người sử dụng từ khi khám phá ra lửa. Khi phát minh ra động cơ hơi nước và máy phát điện, nhiên liệu sinh học thể rắn (gỗ) được sử dụng một thời để phát triển kỹ nghệ ở thế kỷ XVIII và XIX, và gây nhiều ô nhiễm. Ở Việt Nam, xe lửa chạy bằng đốt gỗ cho tới khoảng 1956, mới thay thế bằng động cơ diesel. Ngày nay có khoảng 2 tỷ dân đốt nhiên liệu sinh học ở thể rắn như gỗ, củi, trấu, mạt cưa, rơm rạ, lá khô,... Mặc dầu chứa carbon tái tạo, nhưng cho nhiều khói, tro bụi, bù hóng nên làm ô nhiễm môi trường.
Động cơ nổ đầu tiên trên thế giới do Nikolaus August Otto (người Đức) thiết kế sử dụng nhiên liệu sinh học thể lỏng là rượu cồn – ethanol, Rudolf Diesel (người Đức) phát minh động cơ Diesel thiết kế chạy bằng dầu đậu phộng (groundnut oil), và Henry Ford (Mỹ) thiết kế xe hơi chạy bằng dầu thực vật (từ 1903 đến 1926) chế biến từ dầu chứa trong hạt và thân cây cần sa.
Từ khi khám phá ra nhiên liệu cổ sinh (than đá, dầu hoả, khí đốt) thì ngành kỹ nghệ sử dụng nhiên liệu cổ sinh, vì có hiệu quả kinh tế hơn. Tuy nhiên mỗi khi có chiến tranh, bị địch phong toả khó chuyển vận dầu, hay thế giới có khủng hoảng chính trị, kinh tế, và để không tuỳ thuộc vào dầu hoả nhập cảng (từ Trung Đông), khuynh huớng sử dụng xăng sinh học lại bộc phát trong những thời kỳ này. Chẳng hạn, Đức và Anh Quốc sản xuất xăng sinh học từ khoai tây và lúa mì trong thời kỳ Đệ nhị Thế Chiến. Khủng hoảng xăng dầu năm 1972 do khối OPEC gây ra, làm một số quốc gia có chủ trương tự túc nhiên liệu bằng cách sản xuất xăng sinh học từ tiềm năng nông nghiệp đồ sộ của mình. Brazil tiêu biểu cho chính sách này.
Kể từ 2000, các quốc gia trên thế giới lần lượt thật sự tuân thủ Thoả hiệp Rio de Janeiro (1992), rồi Kyoto (1997), tìm kỹ thuật hạn chế sa thải khí nhà kiếng (CO2, methane,N2O,... ) của nhiên liệu cổ sinh, thay thế bằng năng lượng xanh (như năng lượng mặt trời, gió, thuỷ điện,.... ),năng lượng sạch nên nhiên liệu sinh học đang trên đà phát triển.
1.1.2.2. Quá trình hình thành xăng sinh học
Trong Thế chiến I (1914-1918), đã có tình trạng thiếu ( hóa thạch) dầu, và do đó người biết chế tao ethanol có thể được pha trộn với xăng cho nhiên liệu động cơ phù hợp .
NHÓM SINH VIÊN THỰC HIỆN Trang 6
BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ GVHD: TRẦN HUỲNH BẢO CHÂU
Khủng hoảng dầu lửa từ những năm 1970 đã thúc đẩy quan tâm mới trong nhiên liệu sinh học :
- Năm 1973, Khủng hoảng dầu mỏ : do Tổ chức các nước xuất khẩu dầu mỏ Ả rập ( OAPEC ) lệnh cấm vận xuất khẩu dầu .
- Năm 1979, Khủng hoảng dầu mỏ : do cuộc Cách mạng Iran . - Năm 1990, Giá dầu sốc : gây ra bởi chiến tranh vùng Vịnh .
Các động cơ đốt trong đầu tiên được cấp bằng sáng chế tại Mỹ năm 1826 được thiết kế để chạy trên một hỗn hợp ethanol và nhựa thông ( có nguồn gốc từ cây thông ).
Henry Ford thiết kế ban đầu T 1908 mô hình của mình để chạy bằng ethanol.
Khả năng phối trộn ethanol vào condensate Việt Nam. Ở Việt Nam sử dụng condensate cho mục đích sản xuất xăng nhiên liệu. Ngoài ra một lượng nhỏ condensate cũng được sử dụng để sản xuất xăng dung môi dùng trong công nghệ hóa học.
Condensate hay là khí ngưng tụ, là dạng trung gian giữa dầu và khí. Trong quá trình khai thác condensate bị lôi cuốn theo khí đồng hành hay khí thiên nhiên. Ở điều kiên thường thì condensate ở thể lỏng.
Thành phần chính của Condensate là các hydrocarbon no như pentane, hexane, heptane…(C5+). Ngoài ra còn có các hydrocarbon mạch vòng, các nhân thơm và một số tạp chất khác
Thành phần và đặc tính của condensate Việt Nam
Thành phần cơ bản của condensate là các hydrocacbon no có phân tử lượng và tỷ trọng lớn như pentane, hexane, heptane…vv. Ngoài ra còn chứa các hydrocacbon mạch vòng, các nhân thơm và một số tạp chất khác như hàm lượng rất nhỏ H2S, mercaptane,…vv. Chất lựợng của nó phụ thuộc vào mỏ khai thác, công nghệ chế biến. Thành phần condensate Việt Nam của nhà máy chế biến khí Dinh Cố.
Bảng 2.1 : Thành phần condensate Việt Nam ( nhà máy chế biến khí Dinh Cố)
(Nguồn: Báo cáo đồ án 2011) Một số đặc tính kỹ thuật của condensate Việt Nam
+ Áp suất hơi bão hòa (psi): 12 + Tỷ trọng: 0,7352
+ Độ nhớt ở 200C (cSt): 0,796 + 0API: 12
NHÓM SINH VIÊN THỰC HIỆN Trang 7
BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ GVHD: TRẦN HUỲNH BẢO CHÂU
+ Trọng lượng phân tử: 107 + Chỉ số Octane: 65
Tình hình khai thác và trữ lượng condensate Việt Nam
Trữ lượng dầu và khí của Việt Nam được đánh giá có tiềm năng lớn. Ở thềm lục địa phía nam Việt Nam có ba bể trầm tích có khả năng khai thác dầu khí thương mại là bể Cửu Long, bể Nam Côn Sơn và bể Malay – Thổ Chu với tổng trữ lượng condensate đến năm 2025 ước tính khoảng 21 triệu tấn, tập trung ở các mỏ của bể Cửu Long và Nam Côn Sơn. Sản lượng khai thác condensate nội địa trung bình khoảng trên 1 triệu tấn/năm và thấp nhất là 0,42 triệu tấn/năm vào năm 2009. Ngoài các nguồn condensate trong nước còn có các nguồn condensate trong khu vực. Đặc biệt là condensate Cakerawala (Malaysia) có tính chất tương đối giống condensate Việt Nam.
Thuận lợi và khó khăn của việc pha ethanol vào condensate + Thuận lợi
- Ethanol có trị số octane cao (RONethanol=110÷120). Vì vậy khi pha ethanol vào condensate nó sẽ làm tăng tri số octane của hỗn hợp.
- Ethanol có tỷ trọng gần với tỷ trọng của condensate do đó dễ hòa trộn vào xăng.
- Trong phân tử ethanol có chứa oxy vì vậy quá trình cháy của hỗn hợp sẽ diễn ra tốt hơn từ đó giảm phát thải đáng kể các chất gây ô nhiễm.
+ Khó khăn
- Khi pha ethanol vào xăng gặp những khó khăn chủ yếu như sau:
- Ethanol tạo với các hydrocacbon nhẹ trong condensate (pentane, hexane…) hỗn hợp đẳng phí có nhiệt độ sôi thấp hơn nhiệt độ sôi của hỗn hợp ban đầu. Vì vậy khi pha ethanol vào xăng nó sẽ làm tăng áp suất hơi bão hòa của hỗn hợp.
- Ethanol có tính háo nước. Nó dễ dàng hút nước có trong không khí ẩm vì vậy gây khó khăn cho vấn đề tồn trữ và bảo quản nhiên liệu.
- Ethanol không tương thích với các vật liệu cao su, dễ làm trương nở các ống dẫn nhiên liệu làm bằng vật liệu này. Tuy nhiên nếu dùng với nồng độ ethanol thấp (<15% thể tích ethanol) thì hoàn toàn không gây tác hại.
NHÓM SINH VIÊN THỰC HIỆN Trang 8
BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ GVHD: TRẦN HUỲNH BẢO CHÂU