CHƯƠNG I - TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU TRÊN THẾ GIỚI 1. Dầu mỏ [10, 22, 28] Dầu mỏ là hỗn hợp của các hydrocacbon khác nhau. Do nhẹ hơn nước nên dầu xuất hiện lộ thiên ở nhiều nơi, vì thế loài người đã tìm thấy dầu hàng ngàn năm trước Công Nguyên. Tuy nhiên mãi đến thế kỷ 19 người ta mới bắt đầu khai thác dầu theo mô hình công nghiệp, xuất phát từ việc tìm kiếm một chất đốt cho đèn vì dầu cá voi quá đắt tiền chỉ những người giàu mới có khả năng dùng trong khi nến làm bằng mỡ lại có mùi khó ngửi.
Vì thế giữa thế kỷ 19 một số nhà khoa học đã phát triển nhiều phương pháp để khai thác dầu một cách thương mại. Năm 1855 nhà hóa học người Mỹ Benjamin Silliman đề nghị dùng axit sunphuric làm sạch dầu mỏ dùng để làm chất đốt. Người ta cũng bắt đầu đi tìm những mỏ dầu lớn. Những cuộc khoan dầu đầu tiên được tiến hành trong thời gian từ 1875 đến 1859.
Lần khoan dầu đầu tiên diễn ra ở Wietz, Đức, nhưng cuộc khoan dầu được toàn thế giới biết đến là của Edwin L. Drake vào ngày 27 tháng 8 năm 1859 ở Oil Creek, Pennsylvania. Drake khoan dầu theo lời yêu cầu của nhà công nghiệp người Mỹ George H. Bissel và đã tìm thấy mỏ dầu lớn đầu tiên chỉ ở độ sâu 21,2 m.
Thành phần của dầu mỏ [10, 13] Thành phần của dầu mỏ được phân tách bằng phương pháp chưng cất phân đoạn. Các sản phẩm thu được từ việc lọc dầu có thể kể đến là dầu hỏa, benzen, xăng, sáp parafin, nhựa đường v. Trong điều kiện thông thường, bốn alkan nhẹ nhất – CH 4 (mêtan), C 2 H 6 (êtan), C 3 H 8 (prôpan) và C 4 H 10 (butan) - ở dạng khí, sôi ở nhiệt độ - 161,60 C, -88,60 C, -420C và -0,50C. Các chuỗi trong khoảng C 5-7 là các sản phẩm dầu mỏ nhẹ, dễ bay hơi.
Chúng được sử dụng làm dung môi, chất làm 3 sạch bề mặt và các sản phẩm làm khô nhanh khác. Các chuỗi từ C 6 H 14 đến C 12 H 26 bị pha trộn lẫn với nhau được sử dụng trong đời sống với tên gọi là xăng. Dầu hỏa là hỗn hợp của các chuỗi từ C 10 đến C 15 , tiếp theo là dầu điezen/ dầu sưởi (C 10 đến C 20 ) và các nhiên liệu nặng hơn được sử dụng cho động cơ tàu thuỷ. Tất cả các sản phẩm từ dầu mỏ này trong điều kiện nhiệt độ phòng là chất lỏng.
Các dầu bôi trơn và mỡ (dầu nhờn, kể cả Vadơlin) nằm trong khoảng từ C 16 đến C 20. Các chuỗi trên C 20 tạo thành các chất rắn, bắt đầu là sáp parafin, sau đó là hắc ín và nhựa đường bitum. Khoảng nhiệt độ sôi của các sản phẩm dầu mỏ trong chưng cất phân đoạn trong điều kiện áp suất khí quyển tính theo độ C là: - Xăng ête: 400 ÷ 700 C (được sử dụng như là dung môi) - Xăng nhẹ: 60 0 ÷ 1000C (nhiên liệu cho ôtô) - Xăng nặng: 1000 ÷ 1500C (nhiên liệu cho ôtô) - Dầu hỏa nhẹ: 1200 ÷ 1500C (nhiên liệu và dung môi trong gia đình) - Dầu hỏa: 150 0 – 300 0C (nhiên liệu cho máy bay) - Dầu điezen: 2500 - 350 0C (nhiên liệu cho động cơ điêzen/ dầu sưởi) - Dầu bôi trơn:> 3000C (dầu bôi trơn động cơ) - Các thành phần khác: hắc ín, nhựa đường, các nhiên liệu khác 1. Phân loại dầu mỏ Ngành công nghiệp dầu mỏ phân chia “dầu thô” theo khu vực mà nó xuất phát (ví dụ “West Texas Intermediate” (WTI) hay “Brent”) thông thường theo tỷ trọng và độ nhớt tương đối của nó (“nhẹ”, “trung bình” hay “nặng”), các nhà hóa dầu còn nói đến chúng như là “ngọt”, nếu nó chứa ít lưu huỳnh, hoặc là “chua”, nếu nó chứa đáng kể lưu huỳnh và phải mất nhiều công đoạn hơn để có thể sản xuất nó theo các thông số hiện hành.
Các thùng (Barrel) tiêu chuẩn trên thế giới là: 4 - Hỗn hợp Brent, bao gồm 15 loại dầu mỏ từ các mỏ thuộc về hệ thống mỏ Brent và Ninian trong khu vực lòng chảo Đông Shetland trên biển Bắc. Dầu mỏ được đưa vào bờ thông qua trạm Sullom Voe ở Shetlands. Dầu mỏ sản xuất ở Châu Âu, châu Phi và dầu mỏ khai thác ở phía tây của khu vực Trung Cận Đông được đánh giá theo giá của dầu này, nó tạo thành một chuẩn (brenchmark) đánh giá dầu. - West Texas Intermediate (WTI) cho dầu mỏ Bắc Mỹ.
- Dubai được sử dụng làm chuẩn cho khu vực châu Á – Thái Bình Dương của dầu mỏ Trung Cận Đông. Tầm quan trọng kinh tế của dầu mỏ Dầu mỏ là một trong những nhiên liệu quan trong nhất của xã hội hiện đại dùng để sản xuất điện và cũng là nhiên liệu của tất cả các phương tiện giao thông vận tải. Hơn nữa, dầu cũng được sử dụng trong công nghiệp hóa dầu để sản xuất các chất dẻo (plastic) và nhiều sản phẩm khác. Vì thế dầu thường được ví như là “vàng đen”.
Tuỳ theo nguồn tính toán, trữ lượng dầu mỏ thế giới nằm trong khoảng từ 1.148 tỉ thùng (barrel) (theo BP Statistical Review 2004) đến 1. Trữ lượng dầu mỏ tìm thấy và có khả năng khai thác mang lại hiệu quả kinh tế với kỹ thuật hiện tại đã tăng lên trong những năm gần đây và đạt mức cao nhất vào năm 2003. 5 CHƯƠNG II - CỒN NHIÊN LIỆU 2. Sử dụng cồn làm nhiên liệu [10, 13, 27, 28,31] Kh«ng cã g× míi trong viÖc sö dông cån nh lµ nhiªn liÖu cho xe «t«.
N¨m 1872 khi Nikolaus Otto ph¸t minh ra ®éng c¬ ®èt trong, dÇu má khi ®ã cßn cha ®îc sö dông. Ethanol t¹i nång ®é 90-95% ®îc sö dông nh lµ mét nhiªn liÖu ®Æc biÖt. Dßng xe thuéc model T cña h·ng Ford ®îc thiÕt kÕ ®Ó cã thÓ sö dông dÇu th«, cån hay sù kÕt hîp cña c¶ hai. Cån còng ®îc sö dông lµm nhiªn liÖu ë mét sè quèc gia trong chiÕn tranh thÕ giíi II vµ t¹i Mü trong thêi k× khi gi¸ dÇu t¨ng vät trong nh÷ng n¨m 1970.
C¸c alcohol nãi chung vµ ethanol nãi riªng cã thÓ lµm nhiªn liÖu rÊt tèt cho xe «t«. LÝ do lµm cho cån nhiªn liÖu cha ®îc khai th¸c ®Çy ®ñ lµ cho tíi nay lµ dÇu löa vÉn cßn rÎ, sö dông vµ khai th¸c hÕt søc dÔ dµng. Tuy nhiªn, ngµy nay khi nguån dÇu th« ngµy cµng bÞ thu hÑp vµ kh«ng ®ñ cho nhu cÇu ngµy cµng cao cña con ngêi, sù kh¸c biÖt vÒ gi¸ gi÷a x¨ng vµ cån ®· bÞ thu hÑp. Nhiªn liÖu cho ®éng c¬ ®èt trong, dï sö dông chØ ethanol hay kÕt hîp víi x¨ng lµm chÊt oxy hãa ®Òu lµ nguån n¨ng lîng cã gi¸ trÞ lín.
C¶ ethanol vµ methanol ®Òu cã gi¸ trÞ sö dông lµm nhiªn liÖu lín. Trong khi c¸c nguån nhiªn liÖu truyÒn thèng nh dÇu má vµ khÝ ®èt ngµy cµng c¹n kiÖt th× ethanol ®îc biÕt ®Õn nh lµ mét nhiªn liÖu cã thÓ phôc håi víi nguån tõ rØ ®êng, tinh bét … Khi cã 10% cån nhiªn liÖu ®îc trén lÉn víi dÇu má ta cã hçn hîp gäi lµ E10 hay gasohol, cßn khi 85% cån nhiªn liÖu ®îc trén lÉn vµo dÇu má ta gäi lµ E85. HiÖn nay trªn thÕ giíi cã ba quèc gia ®ang ph¸t triÓn ch¬ng tr×nh cån nhiªn liÖu nh lµ mét môc tiªu quan träng: Brazil, Colombia (Tõ nguån nguyªn liÖu lµ rØ ®êng) vµ Mü (Tõ ngò cèc vµ tæng hîp). Ethanol dïng cho c«ng nghiÖp thêng ®îc tæng hîp tõ dÇu má víi ph¶n øng ®Æc trng lµ ph¶n øng cña ethylene vµ níc víi sù cã mÆt cña axit sufuric lµm xóc t¸c.
S¶n phÈm 6 tõ qu¸ tr×nh nµy rÎ h¬n so víi ph¬ng ph¸p lªn men truyÒn thèng, s¶n phÈm cã thÓ ®i tõ than ®¸, khÝ ga, ethylene, axetylene,… hay tõ nhiÒu nguån kh¸c. Ethanol cã thÓ ®¹t tíi nång ®é 96% vÒ thÓ tÝch b»ng ph¬ng ph¸p chng luyÖn th«ng thêng, ®ñ nång ®é cho sù ®èt ch¸y tuy nhiªn ®Ó cã thÓ cho vµo hçn hîp víi dÇu löa th× ethanol cÇn ph¶i ®¹t tíi nång ®é 99,5 - 99,9%. Ethanol vµ níc t¹o thµnh hçn hîp ®¼ng phÝ mµ t¹i ®ã ta kh«ng thÓ thu ®îc s¶n phÈm cã nång ®é lín h¬n 96% b»ng ph¬ng ph¸p chng luyÖn th«ng thêng. Ngµy nay ph¬ng ph¸p ®îc dïng phæ biÕn nhÊt lµ ph¬ng ph¸p hÊp phô vËt lý sö dông sµng ph©n tö vµ ph¬ng ph¸p chng ®¼ng phÝ.
Ethanol lµ chÊt dÔ ch¸y vµ khi ch¸y th× s¶n phÈm ch¸y s¹ch h¬n so víi c¸c nhiªn liÖu kh¸c vµ khi ch¸y triÖt ®Ó th× s¶n phÈm chØ lµ CO 2 vµ H 2O. Tuy nhiªn ethanol l¹i ph¶n øng víi cao su vµ c¸c vËt liÖu plastic, thªm vµo ®ã ethanol cã chØ sè octan cao (113) so víi c¸c nhiªn liÖu truyÒn thèng do ®ã cÇn ph¶i thay ®æi chØ sè nÐn, thêi ®iÓm ®¸nh tia löa ®iÖn khi sö dông d¹ng nhiªn liÖu nµy còng nh ph¶i thay ®æi kÝch thíc cña bé chÕ hßa khÝ (t¨ng 30-40%) cho phï hîp. H¬n n÷a cÇn ph¶i cã bé gia nhiÖt cho nhiªn liÖu khi nhiÖt ®é h¹ xuèng díi 15 0C bëi khi ®ã kh¶ n¨ng bèc h¬i cña nhiªn liÖu thÊp.1 - Mét sè tiªu chuÈn vÒ cån nhiªn liÖu n¨m 2003 cña Mü [27] Thµnh phÇn §¬n vÞ Th«ng sè TØ träng t¹i 15.6 oC , max g/ml 0.796 Nång ®é ethanol ®em sö dông t¹i %V 99.6 °C, min TÝnh kiÒm Kh«ng cã Axit quy vÒ axit acetic %Khèi lîng 0.006 CH3 COOH , max Lîng chÊt r¾n cßn l¹i khi bèc %Khèi lîng 0.005 7 h¬i nhiªn liÖu , max Lîng aldehyde quy vÒ g/100 ml 0.10 CH3COOC2 H5 , max Ch× Pb, max g/100 ml Kh«ng cã Tháa m·n c¸c yªu Methyl alcohol ppm cÇu vÒ m«i trêng Tháa m·n c¸c yªu Ketones, isopropyl, tertiary butyl ppm cÇu vÒ m«i trêng C¸c hîp chÊt cña lu huúnh % w/w Kh«ng cã Mét hçn hîp nhiªn liÖu chøa kho¶ng 10% ethanol hay cßn ®îc gäi lµ gasohol ®· ®îc sö dông réng r·i ë §an M¹ch vµ trong n¨m 1989 Brazil ®· s¶n xuÊt 12 tû lÝt nhiªn liÖu sö dông ethanol tõ rØ ®êng cung cÊp ®ñ nhiªn liÖu cho 9,2 triÖu xe h¬i ho¹t ®éng. ChØ trong vßng 17 n¨m (1985-2002), níc này ®· s¶n xuÊt ra ®îc 210 tû lÝt cån ®Ó thay thÕ x¨ng, tiÕt kiÖm tíi 52 tû USD.
Cån nhiªn liÖu còng ®îc sö dông réng r·i t¹i khu vùc miÒn T©y níc Mü nhÊt lµ t¹i bang Minnesota víi hçn hîp ®îc sö dông nhiÒu nhÊt lµ E10 ngoµi ra cßn cã c¸c hçn hîp kh¸c: E5 , E7. Hçn hîp E85 víi 15% thÓ tÝch x¨ng vµ 85% thÓ tÝch ethanol cã chØ sè octan kho¶ng 105 thÊp h¬n so víi c¸c hçn hîp trªn xong vÉn cao h¬n mét chót so víi nhiªn liÖu th«ng thêng.