Mở đầu Chƣơng 1: Tổng quan về nhiên liệu ethanol và biodiesel. Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết tính toán tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel. Chƣơng 3: Nghiên cứu mô phỏng tính năng kỹ thuật và phát thải động cơ diesel sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel. Chƣơng 4: Nghiên cứu thực nghiệm.
Kết luận chung và hƣớng phát triển của đề tài. TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU ETHANOL VÀ BIODIESEL 1. Khái quát chung về nhiên liệu sinh học Trƣớc thực trạng ô nhiễm môi trƣờng từ khí thải động cơ đốt trong, sự suy giảm nguồn nhiên liệu hóa thạch và sự thiếu hụt về nguồn năng lƣợng nên việc tìm ra nguồn năng lƣợng mới có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trƣờng là điều quan trọng và cần thiết. Các nguồn năng lƣợng tái tạo có thể kể đến nhƣ thủy điện, năng lƣợng nguyên tử, năng lƣợng mặt trời, gió, thủy triều, năng lƣợng sinh học… trong đó sử dụng năng lƣợng có nguồn gốc sinh học đang là xu hƣớng chung của nhiều nƣớc trên thế giới.
Năng lƣợng sinh học nói chung và nhiên liệu sinh học cho phƣơng tiện giao thông nói riêng đã và đang đƣợc nghiên cứu phát triển và ứng dụng. NLSH đƣợc định nghĩa là nhiên liệu đƣợc hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc từ động vật, thực vật [1]. Ví dụ nhƣ nhiên liệu chế suất từ chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa.), ngũ cốc (lúa mỳ, ngô, đậu tƣơng.), chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân.), sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cƣa, sản phẩm gỗ thải. Sử dụng (NLSH) có nhiều ƣu điểm nhƣ: công nghệ sản xuất không quá phức tạp, có khả năng tái tạo, tăng hiệu quả kinh tế nông nghiệp, có thể sử dụng trên động cơ thông thƣờng mà ít phải thay đổi kết cấu.
NLSH dùng cho động cơ đốt trong gồm hai dạng chủ yếu là nhiên liệu dạng khí và dạng lỏng. Nhiên liệu dạng khí gồm biogas hay khí sinh học là hỗn hợp của khí methane CH4 (50÷60%) và CO2 (>30%) và một số khí khác nhƣ hơi nƣớc, N2, O2, H2S, CO.sinh ra từ sự phân hủy các hợp chất hữu cơ trong môi trƣờng yếm khí, xúc tác ở nhiệt độ từ 200C÷400C. Nhiên liệu dạng lỏng gồm xăng sinh học và diesel sinh học. Hiện nay trên thế giới xăng sinh học thông dụng nhất là ethanol.
Do ethanol có khả năng sản xuất ở quy mô công nghiệp từ nguyên liệu chứa tinh bột nhƣ ngũ cốc, ngô, khoai, sắn.và nguyên liệu chứa đƣờng nhƣ mía, củ cải đƣờng. Diesel sinh học đƣợc sản xuất từ dầu thực vật hay mỡ động vật bằng phản ứng chuyển hóa este, và có tính chất tƣơng đƣơng với nhiên liệu dầu diesel. Nhiên liệu ethanol và biodiesel 1. Nhiên liệu ethanol 1.
Tính chất lý Ethanol (công thức phân tử C2H5OH hay CH3CH2OH) là một hợp chất hữu cơ nằm trong dãy đồng đẳng của ancol methylic, không màu, mùi thơm dễ chịu, vị cay, dễ cháy. Ethanol là một dung môi linh hoạt, có thể hòa tan trong nƣớc. Các liên kết hydro làm cho ethanol tinh khiết có tính hút ẩm, hút hơi nƣớc trong không khí. Vì các phân tử ethanol có cấu trúc không phân cực nên sẽ hòa tan các chất không phân cực, bao gồm các loại tinh dầu, nhiều hƣơng liệu, màu sắc và thành phần trong dƣợc.
Đặc điểm tính chất của ethanol so với xăng đƣợc thể hiện nhƣ sau: 4 Trị số octan của ethanol cao. Vì vậy, việc pha ethanol vào xăng thông dụng cũng sẽ có tác dụng nhất định trong việc hạn chế hiện tƣợng kích nổ. Thực tế cho thấy, xăng pha ethanol có trị số ốc tan cao hơn so với xăng gốc ban đầu. Nhiệt lƣợng của ethanol chỉ bằng khoảng 0,6 lần so với nhiệt lƣợng của xăng thông dụng nên về nguyên tắc, để có thể sản sinh ra một lƣợng nhiệt năng nhƣ nhau thì phải cần một lƣợng ethanol gấp khoảng 1,67 lần so với xăng.
Vì vậy, để duy trì công suất cho động cơ khi chuyển từ xăng sang ethanol nguyên chất hoặc nhiên liệu hỗn hợp có thành phần ethanol cao thì cần phải có các biện pháp để tăng lƣợng nhiên liệu cung cấp tƣơng ứng với hàm lƣợng ethanol có trong đó. Áp suất bay hơi của ethanol cao hơn nhiều so với xăng. Tính chất này sẽ gây ra khó khăn cho động cơ sử dụng ethanol nguyên chất hoặc nhiên liệu hỗn hợp có thành phần ethanol cao trong việc khởi động xe ở nhiệt độ thấp và trong việc hòa trộn giữa nhiên liệu với không khí. Cũng do khả năng bay hơi kém nên ở loại động cơ nhiều xy lanh sử dụng chế hòa khí hoặc phun nhiên liệu tập trung, một lƣợng lớn ethanol dạng lỏng đã tạo thành lớp màng mỏng bám trên đƣờng ống nạp và dẫn tới sự phân bổ nhiên liệu không đồng đều giữa các xy lanh [1].
Một số tính chất lý hóa của ethanol đƣợc thể hiện trên Bảng 1. Tính chất vật lý của ethanol [2] TT Đặc tính Đơn vị Giá trị 1 Nhiệt trị thể tích MJ/lít 21,1 ÷ 21,7 0 2 Nhiệt độ sôi C 78 3 Chỉ số Octan nghiên cứu RON 106 ÷130 4 Tỷ trọng ở 200C - 0,789 5 Hàm lƣợng Ôxy % 34,7 6 Độ tan trong nƣớc ở 250C % 100 0 7 Nhiệt độ tự cháy C 392 8 Độ nhớt ở 200C cP 1,2 9 Phân tử gam g/mol 46,07 10 Nhiệt độ tan K 158,8 11 Điểm tới hạn ở p=63bar K 514 12 pH - 7,0 13 Cp J/mol.K 65,21 14 Mật độ giới hạn nổ % 3,5 ÷15 1. Tính chất hóa học Trong phân tử C2H5OH có nhóm chức hydroxyl (OH) hình thành tính chất hóa học đặc trƣng của ethanol: - Phản ứng với kim loại kiềm: ethanol tác dụng với Na và NaNH2. - Phản ứng với axit halogen.
- Phản ứng tách nƣớc (dehyđrat hóa) tạo ankan và ete. - Phản ứng dehydro hóa (tách hydro). 5 - Phản ứng với oxi hóa: ethanol dễ cháy, khi cháy không có khói và ngọn lửa có màu xanh da trời, tỏa nhiều nhiệt. - Phản ứng este hóa.
- Phản ứng thế -OH bởi halogen trong photpho clorua PCl3, PCl5 và tionin clorua SOCl2 khi có pyridine C5H5N. Công nghệ sản xuất ethanol Tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu mà ethanol đƣợc sản xuất theo các phƣơng pháp và quy trình khác nhau. Hiện nay có hai phƣơng pháp đƣợc dùng phổ biến để sản xuất ethanol nhƣ sau: a) Phương pháp hydrat hóa ethylen Ethanol dùng trong công nghiệp thƣờng đƣợc sản xuất từ các nguyên liệu dầu mỏ thông qua phƣơng pháp hydrat hóa ethylen với xúc tác axit. - Với xúc tác là axit photphoric: Cho ethylen hợp nƣớc ở 3000C áp suất 70 ÷ 80 atm thì phản ứng hóa học nhƣ sau.
CH2 = CH2 + H2O → CH3 - CH2-OH - Với xúc tác là axit sunfuric. Phản ứng xảy ra theo hai giai đoạn: đầu tiên tạo etyl sunfat, sau đó chất này phân hủy tạo thành ethanol và tái tạo lại axit: CH2 = CH2 + H2SO4 → CH3 – CH2-OSO3H CH3 – CH2-OSO3H + H2O → CH3 – CH2-OH + H2SO4 Ethanol công nghiệp không phù hợp với mục đích làm đồ uống do có chứa một số thành phần độc hại nhƣ: methanol, denatonium (C21H29N2O, C7H5O2) là một chất có vị đắng, gây tê. b) Phương pháp lên men Nguồn nguyên liệu để sản xuất ethanol bằng công nghệ lên men chủ yếu sử dụng các loại cây trồng chứa đƣờng đơn giản (xenlulozo) hoặc ngũ cốc chứa tinh bột. Ethanol sinh ra trong quá trình lên men sẽ hòa tan trong nƣớc nên sau đó phải tiến hành chƣng cất và tinh cất để tạo ethanol nguyên chất (có thể đạt mức ethanol tuyệt đối - ethanol khan).
Trong số các nguyên liệu thế hệ thứ nhất chứa tinh bột và đƣờng, sắn là sản phẩm có tỷ suất thu hồi ethanol cao nhất. Vì vậy, sắn đƣợc sử dụng để sản xuất ethanol trong nƣớc và xuất khẩu. Quá trình sản xuất ethanol từ sắn qua các giai đoạn sau (Hình 1.1) [3]: - Giai đoạn xử lý nguyên liệu sắn đem thái lát, phơi khô và nghiền. - Giai đoạn hồ hóa-đƣờng hóa: + Mặc dù tồn tại song song 02 công nghệ hồ hóa - đƣờng hóa bằng axít và bằng chế phẩm enzyme amylaza.
Tuy nhiên, hầu hết các nhà cung cấp công nghệ sản xuất ethanol hiện nay đều lựa chọn công nghệ hồ hóa - đƣờng hóa bằng chế phẩm enzyme amylaza. 6 + Tinh bột có màng tế bào bảo vệ nên enzyme amylaza không thể tác động trực tiếp đƣợc. Khi nghiền nguyên liệu, chỉ một phần rất ít tế bào tinh bột bị phá vỡ. Mặt khác ở nhiệt độ môi trƣờng tinh bột không hòa tan trong nƣớc, khi đƣờng hóa, enzyme amylaza tác dụng rất chậm.
+ Quá trình hồ hóa tiếp tục phá vỡ tế bào tinh bột, biến tinh bột ở trạng thái không hòa tan trong nƣớc thành trạng thái hoà tan, giúp cho quá trình đƣờng hóa thuận lợi hơn. + Quá trình đƣờng hóa sử dụng enzyme amylaza chuyển hóa tinh bột hòa tan thành đƣờng có thể lên men đƣợc. Trên cơ sở phát triển của công nghệ enzyme chủ yếu do các nhà sản xuất enzyme hàng đầu thế giới nhƣ NOVO ENZYME (Đan Mạch), GENENCOR (Mỹ)… - Lên men. - Chƣng cất để tạo ethanol nguyên chất.
- Tách nƣớc để tạo ethanol khan với nồng độ trên 99,5% Hình 1. Sơ đồ sản xuất ethanol từ sắn [3] Nguồn nguyên liệu thế hệ thứ hai bao gồm phụ phẩm nông nghiệp nhƣ rơm rạ, bã mía, vỏ trấu, vỏ lạc, vỏ cà phê, thân ngô…chất thải rừng gồm những nguyên liệu chứa gỗ nhƣ vỏ cây, thân cây.Theo khảo sát và đánh giá của Viện Nghiên cứu chiến lƣợc, chính sách Công nghiệp - Bộ Công Thƣơng cho thấy, trữ lƣợng cồn nhiên liệu tiềm năng đi từ nguyên liệu thế hệ thứ hai của Việt Nam rất lớn, ƣớc tính khoảng 10,9 tỷ lít. Trong đó chiếm tỷ trọng lớn nhất là nguyên liệu từ phụ phế phẩm 7 nông nghiệp. Tuy nhiên, do chi phí công nghệ chế biến còn cao, đặc biệt là khâu xử lý nguyên liệu ban đầu khá phức tạp, nguyên liệu khó thu gom, phân loại ở quy mô lớn nên khó ứng dụng để sản xuất cồn trong điều kiện hiện nay của Việt Nam [4].
Quá trình sản xuất ethanol từ xenluloza chỉ khác với quá trình lên men tinh bột ở chỗ xử lý nguyên liệu thành đƣờng đơn sẵn sàng cho quá trình lên men. Thủy phân hỗn hợp xenluloza khó hơn thủy phân tinh bột vì hỗn hợp xenluloza là tập hợp các phân tử đƣờng liên kết với nhau thành mạch dài (polyme cacbonhydrat) gồm khoảng 40÷60% xenluloza và 20÷40% hemixenluloza, cấu trúc tinh thể bền. Hemixenluloza chứa hỗn hợp các polyme có nguồn gốc từ xylo, mano, galaeto hoặc arabino kém bền hơn xenlulo. Nói chung hỗn hợp xeluloza khó hòa tan trong nƣớc.
