Luận văn: Ảnh hưởng tỷ lệ Butanol-Diesel đến phát thải động cơ - Trần Việt Hùng

Khám phá giải pháp giảm phát thải ô nhiễm từ động cơ diesel bằng nhiên liệu butanol-diesel. Luận văn trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm chi tiết.

• Tác giả: Trần Việt Hùng
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
• Đề tài: Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng tỷ lệ phối trộn Butanol – Diesel đến mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ Diesel
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: K30
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Butanol Diesel là gì Giải pháp đột phá cho nhiên liệu sạch

Trong bối cảnh nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt và các quy định về môi trường ngày càng khắt khe, việc tìm kiếm các nhiên liệu thay thế bền vững trở thành ưu tiên hàng đầu. Hỗn hợp Butanol-Diesel nổi lên như một giải pháp tiềm năng, hứa hẹn giảm thiểu tác động tiêu cực của động cơ diesel đến môi trường. Đây là một loại nhiên liệu sinh học được tạo ra bằng cách pha trộn bio-butanol với dầu diesel truyền thống theo một tỷ lệ nhất định. Không giống như ethanol, butanol có mật độ năng lượng cao hơn, ít hút ẩm và có thể hòa trộn với diesel ở mọi tỷ lệ mà không cần thay đổi kết cấu động cơ. Điều này mở ra một hướng đi mới, không chỉ giúp đa dạng hóa nguồn cung cấp năng lượng mà còn góp phần quan trọng vào mục tiêu an ninh năng lượng quốc gia. Việc sử dụng Butanol-Diesel được kỳ vọng sẽ cải thiện đặc tính cháy của nhiên liệu, từ đó giảm phát thải các chất ô nhiễm nguy hiểm như oxit nitơ (NOx) và hạt muội (PM). Các nghiên cứu ban đầu cho thấy, việc bổ sung một lượng nhỏ butanol vào diesel có thể mang lại những cải thiện đáng kể về mặt môi trường, đồng thời vẫn đảm bảo hiệu suất động cơ diesel. Đây là một bước tiến quan trọng hướng tới công nghệ động cơ sạch và một tương lai giao thông vận tải bền vững hơn.

1.1. Khái niệm và đặc tính của nhiên liệu Bio Butanol

Bio-butanol (C4H9OH) là một loại cồn 4-carbon, được sản xuất từ quá trình lên men sinh khối như ngô, sắn, hoặc các phế phẩm nông nghiệp. So với ethanol, bio-butanol sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội khi sử dụng làm phụ gia nhiên liệu diesel. Nó có mật độ năng lượng gần bằng xăng, áp suất hơi thấp, và đặc biệt là khả năng chống tách lớp khi có lẫn nước. Theo tài liệu nghiên cứu của Trần Việt Hùng, butanol có nhiệt trị thấp khoảng 33,624 MJ/kg, một con số ấn tượng đối với một loại nhiên liệu sinh học. Các đặc tính này giúp bio-butanol dễ dàng tích hợp vào hệ thống phân phối nhiên liệu hiện có mà không đòi hỏi chi phí đầu tư lớn cho cơ sở hạ tầng. Hơn nữa, quá trình sản xuất butanol có thể tận dụng các nhà máy sản xuất ethanol hiện hành, giúp đẩy nhanh quá trình chuyển đổi sang nguồn năng lượng tái tạo này.

1.2. So sánh ưu điểm của Butanol và Ethanol làm nhiên liệu

Khi thực hiện so sánh ethanol và butanol, butanol thể hiện rõ những lợi thế chiến lược. Thứ nhất, butanol có mật độ năng lượng cao hơn khoảng 25% so với ethanol, nghĩa là phương tiện có thể đi được quãng đường xa hơn với cùng một thể tích nhiên liệu. Thứ hai, butanol ít có tính ăn mòn động cơ hơn và ít hút ẩm hơn, giúp giảm thiểu rủi ro hư hỏng hệ thống nhiên liệu và động cơ. Điểm khác biệt quan trọng nhất là butanol có thể pha trộn trực tiếp với diesel, trong khi ethanol thì không. Khả năng này biến Butanol-Diesel thành một nhiên liệu thay thế trực tiếp và khả thi cho hàng triệu phương tiện diesel đang hoạt động. Những ưu điểm này làm cho butanol trở thành ứng cử viên sáng giá hơn trong việc thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch, góp phần giải quyết bài toán môi trường và an ninh năng lượng.

II. Thách thức từ phát thải động cơ diesel và an ninh năng lượng

Động cơ diesel, mặc dù có hiệu suất cao, là một trong những nguồn phát thải ô nhiễm không khí chính, đặc biệt tại các khu đô thị. Khí thải từ loại động cơ này chứa các thành phần độc hại như oxit nitơ (NOx) và hạt vật chất (PM), gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và môi trường. Việc giảm khí thải NOx và phát thải hạt PM là thách thức lớn đối với ngành công nghiệp ô tô và các nhà hoạch định chính sách. Theo cơ sở lý thuyết của nghiên cứu, NOx được hình thành ở nhiệt độ cao trong buồng đốt và là tác nhân chính gây mưa axit và các bệnh về đường hô hấp. Song song với vấn đề môi trường là bài toán về an ninh năng lượng. Sự phụ thuộc quá lớn vào nguồn nhiên liệu hóa thạch nhập khẩu không chỉ gây áp lực lên nền kinh tế mà còn tiềm ẩn nhiều rủi ro về địa chính trị. Do đó, việc phát triển các nguồn năng lượng tái tạo như nhiên liệu sinh học không chỉ là một yêu cầu về môi trường mà còn là một chiến lược quan trọng để đảm bảo sự phát triển bền vững. Giải pháp Butanol-Diesel ra đời nhằm giải quyết đồng thời cả hai thách thức này.

2.1. Tác hại của khí thải NOx và hạt PM từ động cơ diesel

Khí thải động cơ diesel chứa hai thành phần ô nhiễm chính là oxit nitơ (NOx) và hạt vật chất siêu mịn (Particulate Matter - PM). NOx, chủ yếu là NO và NO2, được hình thành khi nitơ và oxy phản ứng với nhau dưới nhiệt độ và áp suất cao trong xi lanh. Các hợp chất này góp phần tạo ra sương mù quang hóa, mưa axit và làm suy giảm tầng ozone. Phát thải hạt PM là các hạt carbon nhỏ, chưa cháy hết, có khả năng xâm nhập sâu vào phổi, gây ra các bệnh tim mạch và hô hấp mãn tính. Các quy định về khí thải ngày càng siết chặt, buộc các nhà sản xuất phải tìm kiếm các công nghệ động cơ sạch và nhiên liệu sạch hơn để đáp ứng tiêu chuẩn. Việc tìm ra phương pháp hiệu quả để giảm khí thải NOx và PM là mục tiêu cốt lõi của các nghiên cứu về nhiên liệu thay thế.

2.2. Sự cần thiết của nhiên liệu thay thế cho an ninh năng lượng

Sự phụ thuộc vào dầu mỏ, một nguồn tài nguyên không thể tái tạo và phân bố không đồng đều, đặt ra một thách thức lớn cho an ninh năng lượng của nhiều quốc gia, trong đó có Việt Nam. Biến động giá dầu và những bất ổn chính trị tại các khu vực sản xuất dầu mỏ lớn trên thế giới có thể gây ra khủng hoảng kinh tế. Việc phát triển và sử dụng các nhiên liệu thay thế từ nguồn năng lượng tái tạo như bio-diesel hay bio-butanol là một hướng đi chiến lược. Những nhiên liệu này có thể được sản xuất nội địa từ các nguồn sinh khối nông nghiệp, giúp giảm phụ thuộc vào nhập khẩu, tạo thêm việc làm cho nông dân và đảm bảo nguồn cung năng lượng ổn định, góp phần vào sự phát triển bền vững của quốc gia.

III. Phương pháp Butanol Diesel giúp giảm phát thải ô nhiễm

Hỗn hợp Butanol-Diesel tác động trực tiếp đến quá trình cháy bên trong động cơ, từ đó làm giảm sự hình thành các chất ô nhiễm. Butanol chứa một lượng oxy đáng kể trong phân tử (khoảng 21.6% theo khối lượng). Lượng oxy nội tại này giúp quá trình đốt cháy nhiên liệu diễn ra hoàn toàn hơn, ngay cả trong những vùng cục bộ thiếu không khí trong buồng đốt. Kết quả là, nồng độ các sản phẩm cháy không hoàn toàn như muội than (nguyên nhân chính gây phát thải hạt PM) và carbon monoxide (CO) giảm xuống. Quan trọng hơn, sự hiện diện của butanol có xu hướng làm giảm nhiệt độ đỉnh của chu trình cháy. Theo cơ sở lý thuyết, sự hình thành NOx phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ cao. Bằng cách hạ nhiệt độ cháy, hỗn hợp Butanol-Diesel đã trực tiếp ức chế các phản ứng tạo ra NOx, dẫn đến việc giảm khí thải NOx một cách hiệu quả. Đây là một cơ chế then chốt giải thích tại sao nhiên liệu sinh học này lại thân thiện với môi trường hơn. Việc cải thiện đặc tính cháy của nhiên liệu không chỉ giúp giảm ô nhiễm mà còn có thể tác động tích cực đến hiệu suất động cơ diesel nếu tỷ lệ pha trộn butanol được tối ưu hóa.

3.1. Cơ chế giảm khí thải NOx nhờ đặc tính cháy của butanol

Cơ chế chính giúp giảm khí thải NOx khi sử dụng Butanol-Diesel liên quan đến hai yếu tố: hàm lượng oxy và nhiệt độ cháy. Butanol có nhiệt ẩn hóa hơi cao hơn diesel, nghĩa là nó hấp thụ nhiều nhiệt hơn từ không khí nén trong xi lanh để chuyển từ dạng lỏng sang dạng hơi. Quá trình này làm giảm nhiệt độ chung của môi chất trước và trong khi cháy. Vì phản ứng tạo thành NOx rất nhạy cảm với nhiệt độ, việc giảm nhiệt độ đỉnh trong buồng đốt sẽ làm chậm đáng kể tốc độ hình thành NOx. Ngoài ra, hàm lượng oxy trong butanol giúp quá trình cháy diễn ra nhanh và hiệu quả hơn ở giai đoạn đầu, giảm thiểu việc hình thành các vùng giàu nhiên liệu với nhiệt độ cực cao, vốn là nơi NOx được tạo ra nhiều nhất. Kết hợp hai yếu tố này giúp hỗn hợp Butanol-Diesel trở thành một giải pháp hữu hiệu để kiểm soát một trong những loại khí thải nguy hiểm nhất từ động cơ.

3.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn butanol đến phát thải PM

Việc bổ sung butanol vào diesel có tác động tích cực đến việc giảm phát thải hạt PM. Hạt PM chủ yếu được hình thành từ các lõi carbon trong các vùng giàu nhiên liệu và thiếu oxy của tia phun diesel. Nhờ có nguyên tử oxy trong cấu trúc phân tử, butanol hoạt động như một chất "oxy hóa tại chỗ". Nó cung cấp thêm oxy ngay tại nơi nhiên liệu đang cháy, phá vỡ chuỗi phản ứng hình thành muội than. Điều này giúp quá trình oxy hóa các hạt carbon diễn ra triệt để hơn, chuyển hóa chúng thành CO2 thay vì tồn tại dưới dạng hạt rắn. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, khi tăng tỷ lệ pha trộn butanol, lượng phát thải muội khói giảm một cách rõ rệt. Tuy nhiên, việc xác định tỷ lệ tối ưu là rất quan trọng để cân bằng giữa lợi ích giảm PM và các yếu tố khác như hiệu suất động cơ diesel và mức tiêu thụ nhiên liệu.

IV. Hướng dẫn tối ưu tỷ lệ pha trộn Butanol Diesel cho động cơ

Việc xác định tỷ lệ pha trộn butanol tối ưu là yếu tố quyết định đến sự thành công của việc ứng dụng nhiên liệu Butanol-Diesel. Một tỷ lệ pha trộn quá thấp có thể không mang lại hiệu quả giảm phát thải rõ rệt, trong khi một tỷ lệ quá cao lại có thể ảnh hưởng tiêu cực đến các thông số vận hành của động cơ. Cụ thể, butanol có chỉ số cetane và nhiệt trị thấp hơn diesel. Chỉ số cetane thấp có thể làm kéo dài thời gian trễ cháy, gây ra tiếng gõ và tăng áp suất đột ngột, trong khi nhiệt trị thấp hơn sẽ làm giảm công suất đầu ra nếu không có sự điều chỉnh. Nghiên cứu thực nghiệm của Trần Việt Hùng trên động cơ VIKYNO EV2600 đã cung cấp những dữ liệu quý giá. Thí nghiệm được thực hiện với các mẫu DOB3, DOB5, DOB7, DOB9 và DOB11 (tương ứng 3%, 5%, 7%, 9% và 11% butanol). Kết quả cho thấy tỷ lệ pha trộn thấp mang lại hiệu quả bất ngờ. Việc tối ưu hóa tỷ lệ này cần cân nhắc kỹ lưỡng giữa mục tiêu giảm khí thải NOx, phát thải hạt PM và việc duy trì hiệu suất động cơ diesel ở mức chấp nhận được. Các phân tích sâu hơn về đặc tính cháy của nhiên liệu hỗn hợp ở các chế độ tải khác nhau là cần thiết để đưa ra khuyến nghị cuối cùng.

4.1. Phân tích thực nghiệm các tỷ lệ pha trộn từ 3 đến 11

Trong luận văn "Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng tỷ lệ phối trộn Butanol-diesel...", tác giả đã tiến hành thử nghiệm trên động cơ EV2600 với 5 tỷ lệ pha trộn butanol khác nhau: 3%, 5%, 7%, 9% và 11%. Mỗi mẫu nhiên liệu, ký hiệu là DOB3, DOB5, ..., DOB11, được đánh giá trên băng thử công suất Froude ở các chế độ tải khác nhau (10%, 30%, 50%, 70% thanh răng). Kết quả thu được rất đáng chú ý: hỗn hợp DOB3 (3% butanol) cho thấy mức phát thải CO2 và NOx thấp nhất, thậm chí còn thấp hơn cả diesel nguyên chất (DO0,05S). Điều này cho thấy không nhất thiết phải sử dụng tỷ lệ pha trộn cao để đạt được lợi ích về môi trường. Các tỷ lệ cao hơn có thể không mang lại hiệu quả tương xứng và thậm chí có thể ảnh hưởng đến các thông số khác của động cơ.

4.2. Tác động đến hiệu suất động cơ diesel và chỉ số cetane

Một trong những lo ngại khi sử dụng cồn làm phụ gia nhiên liệu diesel là sự sụt giảm hiệu suất động cơ diesel. Butanol có nhiệt trị thấp hơn và chỉ số cetane thấp hơn so với diesel, điều này về lý thuyết có thể làm giảm công suất và tăng suất tiêu hao nhiên liệu. Tuy nhiên, nghiên cứu thực nghiệm lại cho thấy ở một số chế độ vận hành, công suất động cơ không thay đổi đáng kể khi sử dụng các hỗn hợp Butanol-Diesel với tỷ lệ thấp. Việc oxy có sẵn trong butanol giúp cải thiện hiệu quả cháy, phần nào bù đắp cho sự sụt giảm về nhiệt trị. Dù vậy, việc giảm chỉ số cetane vẫn là một yếu tố cần được xem xét, đặc biệt là trong điều kiện khởi động lạnh. Việc bổ sung các chất phụ gia cải thiện cetane có thể là một giải pháp cần thiết khi sử dụng tỷ lệ pha trộn butanol cao hơn.

V. Kết quả nghiên cứu Butanol Diesel tại Việt Nam và ứng dụng

Nghiên cứu tiên phong được thực hiện tại Đại học Bách khoa Đà Nẵng đã cung cấp những bằng chứng khoa học thuyết phục về tiềm năng của Butanol-Diesel tại Việt Nam. Bằng việc sử dụng động cơ diesel một xi-lanh phổ biến là VIKYNO EV2600, nghiên cứu đã mô phỏng một cách thực tế điều kiện vận hành của các loại động cơ nông nghiệp và tĩnh tại. Các kết quả đo lường chính xác bằng thiết bị AVL FUELBALANCE 733 và KEG-500 đã chỉ ra rằng, ngay cả với một tỷ lệ pha trộn rất nhỏ (3%), hỗn hợp Butanol-Diesel đã có thể giảm khí thải NOx và CO2 một cách ấn tượng. Cụ thể, nghiên cứu kết luận rằng "mức độ phát thải CO2[%], NOx[ppm] của hỗn hợp DOB3 là thấp nhất và thấp hơn DO0,05S". Hơn nữa, kết quả cũng cho thấy nồng độ phát thải riêng (tính trên đơn vị công suất) giảm khi tăng tải, đạt giá trị cực tiểu ở chế độ gần toàn tải. Những phát hiện này không chỉ có ý nghĩa học thuật mà còn mở ra hướng ứng dụng thực tiễn to lớn, đặc biệt cho lĩnh vực nông nghiệp và giao thông vận tải, góp phần thực hiện mục tiêu phát triển năng lượng tái tạo và xây dựng công nghệ động cơ sạch.

5.1. Bằng chứng từ thử nghiệm trên động cơ VIKYNO EV2600

Nghiên cứu đã sử dụng động cơ VIKYNO EV2600, một loại động cơ diesel 4 kỳ, 1 xi lanh, làm mát bằng nước, rất phổ biến tại Việt Nam. Việc lựa chọn đối tượng này làm tăng tính thực tiễn của kết quả. Các dữ liệu về mô-men, tốc độ, suất tiêu hao nhiên liệu và nồng độ khí thải (CO2, NOx) được ghi nhận một cách có hệ thống. Phân tích từ các bảng dữ liệu 4.2 đến 4.9 trong tài liệu gốc cho thấy một xu hướng rõ ràng: hỗn hợp DOB3 liên tục cho thấy mức phát thải NOx và CO2 trung bình thấp hơn so với diesel nguyên chất và các hỗn hợp có tỷ lệ butanol cao hơn ở hầu hết các chế độ tải. Đây là một kết quả phản trực giác nhưng cực kỳ quan trọng, chứng minh rằng "nhiều hơn không phải lúc nào cũng tốt hơn" khi nói đến tỷ lệ pha trộn butanol.

5.2. So sánh hiệu quả với diesel truyền thống và Bio diesel

So với diesel truyền thống, Butanol-Diesel (đặc biệt là DOB3) vượt trội ở khả năng giảm khí thải NOx và CO2 đồng thời. So với bio-diesel (thường là các este metyl axit béo), butanol có lợi thế về khả năng chống oxy hóa và hoạt động tốt hơn ở nhiệt độ thấp. Mặc dù bio-diesel cũng là một nhiên liệu sinh học hiệu quả trong việc giảm hạt PM, nó thường có xu hướng làm tăng nhẹ phát thải NOx. Ngược lại, Butanol-Diesel cho thấy khả năng giảm cả hai loại phát thải này. Hơn nữa, quy trình sản xuất bio-butanol từ các nguồn xenluloza thế hệ thứ hai hứa hẹn sẽ bền vững hơn và ít cạnh tranh với an ninh lương thực hơn so với bio-diesel sản xuất từ dầu thực vật. Những yếu tố này cho thấy Butanol-Diesel có một vị thế độc đáo và đầy hứa hẹn trong danh mục các nhiên liệu thay thế.

VI. Tương lai của Butanol Diesel Cơ hội và thách thức phía trước

Mặc dù các kết quả nghiên cứu rất khả quan, con đường để Butanol-Diesel trở thành một nhiên liệu thay thế phổ biến vẫn còn nhiều thách thức. Rào cản lớn nhất hiện nay là chi phí sản xuất butanol. Công nghệ lên men ABE (Acetone-Butanol-Ethanol) truyền thống có hiệu suất thấp và chi phí cao. Tuy nhiên, những tiến bộ gần đây trong công nghệ sinh học và kỹ thuật di truyền đang mở ra triển vọng sản xuất bio-butanol với giá thành cạnh tranh hơn từ các nguồn sinh khối phi lương thực. Một thách thức khác là cần có thêm các nghiên cứu dài hạn về tác động của butanol đến độ bền và hiện tượng ăn mòn động cơ, đặc biệt là các vật liệu gioăng, phớt cao su. Về cơ hội, tiềm năng của Butanol-Diesel là rất lớn. Nó không chỉ là giải pháp cho các động cơ hiện hữu mà còn là nền tảng cho việc phát triển các công nghệ động cơ sạch trong tương lai. Với sự hỗ trợ từ chính sách của chính phủ và sự đầu tư vào nghiên cứu và phát triển, Butanol-Diesel hoàn toàn có thể trở thành một phần quan trọng trong cơ cấu năng lượng tái tạo, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường.

6.1. Thách thức về chi phí sản xuất butanol và hạ tầng

Hiện tại, chi phí sản xuất butanol bằng phương pháp sinh học vẫn cao hơn so với sản xuất ethanol và các nhiên liệu hóa thạch. Việc tối ưu hóa chủng vi sinh vật, cải tiến quy trình lên men và tách chiết sản phẩm là những vấn đề kỹ thuật cần được giải quyết để hạ giá thành. Các công ty như Butamax (liên doanh giữa BP và DuPont) đang đi đầu trong việc phát triển công nghệ sản xuất iso-butanol hiệu suất cao. Mặc dù butanol tương thích tốt với hạ tầng xăng dầu hiện có, việc đảm bảo chất lượng và tiêu chuẩn hóa cho nhiên liệu hỗn hợp Butanol-Diesel trên quy mô toàn quốc cũng đòi hỏi một lộ trình và khung pháp lý rõ ràng. Vượt qua những rào cản này sẽ là chìa khóa để thương mại hóa thành công loại nhiên liệu sinh học đầy tiềm năng này.

6.2. Vai trò trong chiến lược công nghệ động cơ sạch và bền vững

Trong tầm nhìn dài hạn, Butanol-Diesel đóng một vai trò quan trọng trong lộ trình hướng tới giao thông bền vững. Nó là một giải pháp "bắc cầu", cho phép giảm ngay lập tức lượng phát thải từ hàng triệu phương tiện diesel đang lưu hành mà không cần thay thế toàn bộ đội xe. Xa hơn, những hiểu biết về đặc tính cháy của nhiên liệu có hàm lượng oxy cao sẽ cung cấp dữ liệu đầu vào quan trọng cho việc thiết kế các thế hệ động cơ đốt trong hiệu suất cao, phát thải cực thấp. Butanol-Diesel không phải là một giải pháp đơn lẻ, mà là một mảnh ghép quan trọng trong bức tranh tổng thể về năng lượng tái tạo, bên cạnh xe điện, pin nhiên liệu hydro và các loại bio-diesel khác, cùng nhau tạo nên một hệ sinh thái công nghệ động cơ sạch đa dạng và linh hoạt.

Trích đoạn nội dung tài liệu

phần mở đầu và kết luận, nội dung của đề tài luận văn: “Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng tỷ lệ phối trộn Butanol-diesel đến mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ diesel” đƣợc trình bày trong 04 chƣơng, chứa các nội dung tóm tắt với cấu trúc nhƣ sau: Chƣơng 1 – Tổng quan các vấn đề cạn kiệt nguồn năng lƣợng, ô nhiểm môi trƣờng, tình hình nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học nói chung và nhiên liệu Butanol nói riêng trong và ngoài nƣớc. Kết luận chƣơng. -3- Chƣơng 2 – Cơ sở lý thuyết: phân tích tính chất nhiên liê ̣u , diễn biế n quá trin ̀ h cháy của động cơ diesel và các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình cháy. Sự hình thành các chất phát thải và các yếu tố ảnh hƣởng đối với động cơ diesel.

Kế t luâ ̣n chƣơng. Chƣơng 3 – Nghiên cứu thực nghiệm: giới thiệu trang thiết bị thí nghiệm, nghiên cứu thí nghiệm chạy nhiên liệu Diesel pha Butanol với các tỷ lệ khác nhau trên băng thử công suất Froude, kết quả dữ liệu nhận đƣợc từ thí nghiệm, xử lý dữ liệu thí nghiệm. Kết luận chƣơng. Chƣơng 4 – Kết quả và bàn luận: phân tích đánh giá kết quả về ảnh hƣởng của các tỷ lệ hòa trộn Butanol trong diesel đến các chất khí phát thải ô nhiễm của động cơ thí nghiệm sử dụng nhiên liệu diesel pha Butanol với các tỷ lệ khác nhau.

Kết luận chƣơng. -4- Chƣơng 1: TỔNG QUAN Trong cuộc sống hiện đại, chất lƣợng sống của con ngƣời phụ thuộc rất nhiều vào các nguồn năng lƣợng, do đó việc khai thác và sử dụng năng lƣợng đƣợc các quốc gia đặc biệt quan tâm. Năng lƣợng hóa thạch là tài nguyên không tái tạo bởi vì trái đất mất hàng triệu năm để tạo ra chúng và lƣợng tiêu thụ đang diễn ra nhanh hơn tốc độ đƣợc tạo thành. Theo Cơ quan thông tin năng lƣợng Hoa Kỳ (EIA) ƣớc tính năng lƣợng hóa thạch chiếm 86% năng lƣợng nguyên thủy sản xuất trên thế giới, nó bao gồm 36,8% dầu mỏ, 26,6% than và 22,9% khí thiên nhiên.

Mỗi ngày trung bình thế giới sản xuất khoảng 86 triệu thùng dầu[16]. Các số liệu tìm kiếm, thăm dò và nhận định về trữ lƣợng dầu toàn cầu của văn phòng Tổ chức kiểm soát năng lƣợng Anh (EWG) tại Đức cho biết, dƣới lòng đất chỉ còn có khoảng 1.255 tỉ thùng, đủ để cho con ngƣời sử dụng trong 42 năm tới[19]. Với tốc độ khai thác nhƣ hiện nay, trong vòng 30 năm nữa nguồn dầu lửa dƣới lòng đất sẽ cạn kiệt. Đa phần dầu mỏ khai thác đƣợc sử dụng làm nguồn nhiên liệu cho các loại động cơ đốt trong.

Các loại động cơ dùng nhiên liệu diesel đƣợc sử dụng rất phổ biến trên thế giới nhƣ động cơ tĩnh tại, động cơ lắp trên phƣơng tiện giao thông, … với các kích cỡ và công suất khác nhau. Tuy nhiên, các nghiên cứu về môi trƣờng và năng lƣợng cho thấy động cơ diesel đã gây ra ô nhiễm môi trƣờng nghiêm trọng, nguồn nhiên liệu đƣợc sản xuất từ năng lƣợng hoá thạch là dầu mỏ đang ngày càng cạn kiệt. Trong tƣơng lai việc sử dụng động cơ diesel sẽ gặp rất nhiều khó khăn khi giá dầu biến động và tăng liên tục. Trƣớc tình hình đó đòi hỏi cần phải có các công trình nghiên cứu với mục đích áp dụng các dạng nhiên liệu khác để thay thế từng phần đi đến thay thế hoàn toàn nguồn nhiên liệu hoá thạch sẽ cạn kiệt trong tƣơng lai và để hạn chế ô nhiễm môi trƣờng do các loại động cơ diesel gây ra.

Những nguồn năng lƣợng mới đang đƣợc nghiên cứu và sử dụng là khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG), khí thiên nhiên nén (CNG), khí thiên nhiên lỏng (LNG) và năng lƣợng có thể tái tạo đƣợc là nhiên liệu sinh học nhƣ Biogas, Biomass, Ethanol, Butanol…; pin nhiên liệu sử dụng Hydro. Nhƣ vậy, sử dụng nhiên liệu tái tạo trong động cơ sẽ là một cách mạnh mẽ để giảm phát thải ô nhiễm và tiết kiệm nguồn năng lƣợng cho tƣơng lai. Butanol là nhiên liệu thay thế tuyệt vời sử dụng cho động cơ diesel vì nó đƣợc sản xuất bền vững và có thể trộn với nhiên liệu diesel hóa thạch, có tác động đến môi trƣờng thấp và mật độ năng lƣợng cao. TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC TRÊN THẾ GIỚI Hiện nay, trên thế giới đã ghi nhận đƣợc nhiều thành công về ứng dụng nhiên liệu sinh học trong động cơ.

Trong đó có Mỹ, Bzazil, Thái Lan, Đức, Pháp, Nauy, Thụy Điển, Canada, Ấn Độ, Trung Quốc, Úc, Rumani. Brazil là nƣớc đi đầu thế giới trong lĩnh vực này. Brazil là quốc gia sản xuất và sử dụng cồn nhiên liệu lớn nhất thế giới hàng năm tiết kiệm đƣợc trên 2 tỷ USD chi cho việc nhập khẩu dầu. Từ năm 1975, Chính phủ Brazil đã thực hiện chƣơng trình mang tên Pro-alcohol mà sau này trở thành mẫu hình đƣợc nhiều quốc gia học tập để phát triển nhiên liệu sinh học.

Mỹ là quốc gia tiêu thụ hàng năm 25% năng lƣợng trên thế giới (trong khi chỉ có 6% trữ lượng dầu mỏ), hơn 60% dầu mỏ phải nhập từ bên ngoài. 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. Năm 2004, Mỹ đã sản xuất trên 13 triệu m3 cồn. Để sử dụng nhiên liệu sinh học, Mỹ đã ban hành nhiều đạo luật về môi trƣờng nhƣ: cấm sử dụng phụ gia hoá học làm tăng trị số Octan gây độc hại, bắt buộc sử dụng nhiên liệu sinh học ở các vùng đông dân cƣ, miễn thuế cho nhiên liệu pha cồn.

Nhà máy sản xuất Ethanol Trung Quốc là quốc gia sản xuất và sử dụng cồn nhiên liệu lớn thứ 3 sau Brazil và Mỹ. Năm 2004, họ đã đa vào hoạt động nhà máy sản xuất cồn lớn nhất thế giới công suất 600.000 tấn/năm tại Cát Lâm (mỗi năm tiêu thụ 1,9 triệu tấn ngô làm nguyên liệu), tăng sản lƣợng cồn Ethanol cả nƣớc trên 3,5 triệu m3. Từ tháng 6 năm 2002, nƣớc này đã quyết định sử dụng xăng pha 10% cồn (E10) ở 5 thành phố và đến cuối năm 2006 sẽ tăng thêm 27 thành phố đông dân khác. -6- Ấn Độ đã sử dụng xăng pha 5% cồn ở 9 bang và 4 tiểu vùng từ ngày 1/1/2003, các bang còn lại sử dụng ở giai đoạn 2, giai đoạn 3 sẽ tăng 10% cồn pha trong xăng.

Các nƣớc EU năm 2010 sẽ sử dụng 5,75% nhiên liệu sinh học trong tổng số xăng dầu cho giao thông vận tải năm 2020 sẽ tăng lên 20%. Năm 2003 toàn thế giới đã sản xuất trên 38,5 triệu m3 Ethanol (Châu Mỹ khoảng 70%, Châu Á 17%, Châu Âu 10%), trong đó 70% đƣợc dùng làm nhiên liệu ở trên 43 quốc gia, trong vòng 15 – 20 năm tới, nhiên liệu sinh học sẽ chiếm khoảng 25% nhu cầu tiêu thụ năng lƣợng trên toàn thế giới. Nƣớc ta là nƣớc nông nghiệp, các loại phế phẩm thực vật khá dồi dào nhất là những nơi sản xuất sắn khoai, ngô, mía đƣờng. Với hơn 50 nhà máy đƣờng trong nƣớc tổng công suất gần 100.000 tấn mía/ngày, khả năng mỗi năm có thể sản xuất 100 triệu lít cồn.

Nhà máy sản xuất Ethanol của tập đoàn Dầu khí quốc gia Việt Nam Năm 2003, tổng công suất của các nhà máy cồn của ngành mía đƣờng là 48 triệu lít. Trong đó, Công ty đƣờng Lam Sơn - Thanh Hóa có nhà máy sản xuất cồn công suất 25 triệu lít/năm, sản phẩm cồn của nhà máy chủ yếu phục vụ nhu cầu xuất khẩu. Ngoài ra, còn có các nhà máy sản xuất cồn khác nhƣ nhà máy rƣợu Bình Định có công suất 5 triệu lít/năm; nhà máy cồn Bình Dƣơng (thuộc công ty rượu Bình Tây) có công suất 4,5 triệu lít/năm; nhà máy sản xuất cồn - rƣợu Quảng Ngãi có công suất 12 triệu lít/năm, sản phẩm cồn rƣợu của nhà máy còn xuất khẩu qua một số nƣớc nhƣ: Đài Loan, Lào, Camphuchia. Công ty đã có dự án xây dựng thêm một nhà máy sản xuất cồn với công suất 12 triệu lít/năm ở An Khê, nhà máy cồn Xuân Lộc - Đồng Nai có công suất 20.

KHẢ NĂNG SẢN XUẤT BUTANOL Sản xuất Butanol có thể tận dụng cơ sở hạ tầng hiện hành của sản xuất Ethanol. Quy trình hóa dầu OXO mang tính khả thi cao nhất để sản xuất Butanol rẻ tiền hơn từ các nguồn sinh khối khác nhau. Sơ đồ các công nghệ sản xuất Butanol sinh học Cách đây vài năm, một dự án liên doanh giữa BP và Dupont về sản xuất Butanol sinh học theo quy trình ABE tại Trung Quốc đã đƣợc thực hiện đang mang nhiều triển vọng thúc đẩy thị trƣờng tiêu thụ nguồn nhiên liệu mới này. Hơn nữa, nhiều nhà máy, bên cạnh quy trình đang dùng nhƣ ABE hay OXO cho vài chủng loại sinh khối, họ đều tuyên bố theo đuổi cải tiến đa dạng hóa nguồn sinh khối cho các quy trình trên.3 cho thấy đƣợc các phƣơng pháp có thể sản xuất Butanol hiện nay.

Trong đó cách dễ sản xuất nhất là đem đƣờng lên men trực tiếp. Nếu là tinh bột thì phải sử dụng một số men để chuyển hóa rồi mới lên men đƣợc. Riêng đối với các hạt rắn nhƣ hạt ngũ cốc ta phải đem đi nghiền, nấu, thủy phân đem đi đƣờng hóa -8- rồi mới có thể lên men. Đối với các quá trình sinh khối thì cenlulo và hemicellulo sẽ đƣợc thủy phân nhờ acid hoặc men tạo ra đƣờng gluco và fructo, riêng cenlulo chỉ tạo ra fructo, các đƣờng này đƣợc đem đi đƣờng hóa rồi lên men tạo Butanol.

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 lƣợng Butanol và từ đó, giảm đáng kể tổng số năng lƣợng cần thiết cho quy trình loại bỏ nƣớc trong dung dịch Butanol. 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 đƣợc sử dụng hiện nay. Butanol sinh học đƣợc chiết xuất từ đƣờng lên men với số lƣợng lớn trong sinh khối xenluloza (từ gỗ), với mức calori cao hơn (34 MJ/kg) so với Ethanol (C 2H5OH - 27 MJ/kg). Quá trình lên men đƣờng dƣới tác động của vi khuẩn tạo ra một dung dịch chứa nƣớc 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 nƣớc ra để thu đƣợc dung dịch có độ tập trung Butanol lớn.