CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU LPG CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1 Đặc điểm của LPG LPG là tên viết tắt của khí dầu mỏ hoá lỏng LPG (Liquefied Petroleum Gas). LPG tồn tại trong thiên nhiên ở các giếng dầu hoặc giếng gas và cũng có thể được sản xuất ở các nhà máy lọc dầu. Thành phần chính của LPG là hỗn hợp hydrocacbon với thành phần chính là butan (C4H10) và propan (C3H8) chiếm tới 99%, còn lại là một số thành phần hydrocacbon khác [1].
Tỷ lệ giữa propan và butan thay đổi giữa các quốc gia cũng như thời điểm sản xuất. Loại nhiên liệu này được phát triển và thương mại hóa từ những năm năm mươi của thế kỷ trước. LPG là loại nhiên liệu có thể dễ dàng được chuyển đổi sang thể lỏng bằng việc tăng áp suất thích hợp hoặc giảm nhiệt độ để dễ tồn trữ và vận chuyển. LPG có thành phần hóa học tương đối đơn giản hơn các loại nhiên liệu khác, ít tạp chất, không có hợp chất chứa lưu huỳnh và chì, đặc biệt sản phẩm cháy không tạo muội, tạo cặn cacbon [1, 2].
Ngoài ra, LPG còn có nhiệt trị theo khối lượng cao hơn so với các loại nhiên liệu truyền thống như xăng và dầu diesel nên có điều kiện tăng tính kinh tế khi sử dụng [2].1 Tính chất lý hóa của LPG LPG biến đổi từ thể lỏng thành thể hơi theo tỷ lệ thể tích 1 lít LPG thể lỏng hoá thành khoảng 250 lít ở thể hơi ở nhiệt độ lớn hơn 0oC trong môi trường áp suất bằng áp suất khí quyển. LPG bay hơi rất nhanh, dễ dàng khuyếch tán, hòa trộn với không khí thành hỗn hợp cháy nổ. LPG nhẹ hơn nước, tỷ trọng của butan bằng 0,55 - 0,58 lần và propan từ 0,5 - 0,53 lần tỷ trọng của nước. Ở thể hơi trong môi trường áp suất bằng áp suất khí quyển, LPG nặng hơn so với không khí, đối với butan là 2,01 lần, propan là 1,53 lần.
Do LPG ở trạng thái nguyên chất không có mùi và nặng hơn không khí nên có thể gây ngạt nếu nó tràn ra ngoài chiếm chỗ của ôxy. Vì vậy, người ta thường pha trộn thêm chất tạo mùi hăng mercaptan vào LPG với tỷ lệ nhất định để có mùi đặc trưng nhằm phát hiện ra hiện tượng rò rỉ LPG. LPG lỏng gây bỏng nặng trên da khi tiếp xúc trực tiếp, nhất là với dòng LPG rò rỉ trực tiếp vào da. Nhiệt độ của LPG khi cháy rất cao từ 1900oC÷1950oC, có khả năng đốt cháy và nung nóng chảy hầu hết các chất và kim loại.
LPG có thành phần chủ yếu là propan và butan. Ngoài ra, tuỳ thuộc vào nguồn nhiên liệu khi chế biến mà trong thành phần của nó có thể có một lượng nhỏ olefin như propen, buten. Trong đó propan chỉ có duy nhất ở dưới dạng mạch thẳng, butan có thể ở dạng mạch thẳng hoặc mạch nhánh (Hình 1. Công thức hoá học và cấu trúc phân tử: -15- Hình 1.1 Cấu trúc hóa học của các thành phần trong nhiên liệu LPG Bảng 1.1 Tính chất của các thành phần trong LPG [1] Thông số đặc trƣng Propan n-butan iso-butan Công thức hóa học C3H8 C4H10 C4H10 Nhiệt độ sôi (oC ) -42,1oC +1,0 -0,5 Trị số octan nghiên cứu( RON) 111 102 94 Hệ số tỷ lượng A/F(kg/kg) 15,71 15,49 15,49 Nhiệt độ tự bắt cháy (oC ) 481 544 441 Nhiệt trị thấp (MJ/kg) 46,34 45,55 45,70 Chỉ số Cetane 3 9 13 Phương trình cháy: C3H8+5O2→3CO2+4H2O+Q 2C4H10+13O2 → 8 CO2+10 H2O+ Q Sự cháy của LPG diễn ra thuận lợi nhất trong hỗn hợp đồng nhất của LPG với không khí; tốc độ cháy và lan tràn màng lửa đạt cao nhất ở tỷ lệ hỗn hợp nhiên liệu – không khí hơi đậm một chút với hệ số dư lượng không khí =0,95-1 [3, 4].
Đặc điểm diễn biến quá trình cháy và các nhân tố ảnh hưởng cũng tương tự như đối với nhiên liệu xăng [4].2 Ƣu điểm của LPG so với các loại nhiên liệu truyền thống Nếu có đủ ôxy, quá trình cháy của LPG dễ diễn ra một cách triệt để. Điều này đã làm cho LPG có các đặc tính của một nhiên liệu cháy sạch. Sản phẩm cháy chỉ có CO2 và hơi nước, không có hợp chất chứa lưu huỳnh và chì, hàm lượng các khí NOx thấp, ít gây ô nhiễm môi trường. Ngoài ra, LPG có trị số octan nghiên cứu cao hơn so với xăng không chì từ 5-12 đơn vị, và có nhiệt trị khối lượng lớn hơn so với xăng và dầu diesel và lớn hơn nhiều so với methanol và ethanol.
Vì vậy, LPG rất có lợi thế khi muốn tăng hiệu suất nhiệt và tăng công suất động cơ [5]. Trong sử dụng, LPG không làm ăn mòn các thiết bị liên quan, lại rất thông dụng và đa năng khi vận chuyển vì cả propan và butan đều dễ hóa lỏng và có thể chứa được trong -16- các bình áp lực, thuận tiện khi cung cấp đến người tiêu dùng. Vì có tốc độ bay hơi nhanh, LPG dễ dàng khuyếch tán và hòa trộn với không khí tạo thành hỗn hợp nên LPG là loại nhiên liệu thay thế tốt cho xăng trong các động cơ đánh lửa cưỡng bức [4, 5]. Với những ưu điểm như trên, LPG có thể làm nhiên liệu thay thế cho các loại nhiên liệu như củi, than và đặc biệt là nhiên liệu truyền thống của động cơ đốt trong là xăng và dầu diesel.
Điều này góp phần khắc phục tình trạng cạn kiệt nhiên liệu truyền thống và giảm phát thải ô nhiễm môi trường.3 Tình hình sản xuất LPG 1.1 Tình hình sản xuất LPG trên thế giới Từ thập niên 90 đến nay, lượng LPG sản xuất trên toàn cầu liên tục tăng (trung bình 5-10%/năm) và dự đoán vẫn tiếp tục tăng trong những năm tới. Tổng nguồn cung LPG trên thế giới năm 2008 đạt 239 triệu tấn. Tổng sản lượng khai thác và sử dụng LPG của thế giới trong năm 2013 đạt tới 260 triệu tấn theo như con số đã được công bố tại Hội nghị thượng đỉnh LPG thế giới đã diễn ra tại TP. Nguồn sản xuất LPG là từ quá trình chế biến dầu mỏ và khí đốt nên hoàn toàn có thể tính toán và dự đoán được sản lượng LPG sản xuất được trong tương lai theo trữ lượng và năng suất khai thác dầu mỏ và khí đốt [7].
Dự báo đến năm 2015 năng suất khai thác và chế biến LPG có thể đạt 291,7 triệu tấn, trong đó, 60% LPG được sản xuất từ quá trình xử lý, 39,5% sản xuất từ các nhà máy lọc dầu và còn lại 0,5% từ các nguồn khác.2 Sản lượng LPG trên toàn cầu (triệu tấn) Trong giai đoạn 2000-2008, Trung Đông, Bắc Á là hai khu vực sản xuất LPG lớn nhất nhì trên thế giới. Trung Đông cung cấp 1/5 tổng lượng LPG trên thế giới trong năm 2008 và tăng trung bình 4,1%/năm từ năm 2000 mặc dù sản lượng của khu vực này giảm trong năm 2001 và 2002. Tổng cung khu vực này dự báo tăng đến 69,7 triệu tấn cho năm 2015. Năm 2008, khoảng 66% sản lượng LPG Trung Đông là từ xử lý khí đồng hành, 24% là từ quá trình tinh chế.
Ở Bắc Á, hơn 90% sản lượng tăng lên là từ các nhà máy lọc dầu ở Trung Quốc. Hầu hết sản lượng LPG của khu vực này tới từ các nhà máy lọc hóa dầu, số ít là xử lý khí và -17- duy nhất cho tới nay ở Trung Quốc có nhà máy hóa khí từ than. Phần còn lại trong sản lượng của khu vực là từ các nhà máy lọc dầu ở Hàn Quốc và Đài Loan. Dự báo đến năm 2015 đạt khoảng 31,1 triệu tấn.2 Tình hình sản xuất LPG ở Việt nam Hiện nay, ở Việt Nam có thể tạm chia ra 4 cụm khai thác khí quan trọng: - Cụm khí thứ nhất nằm ở vùng đồng bằng Bắc Bộ, gồm nhiều mỏ khí nhỏ, trong đó có Tiền Hải - Thái Bình, trữ lượng khoảng 250 tỷ m3 khí, được bắt đầu khai thác năm 1981 phục vụ cho công nghiệp địa phương.
- Cụm khí thứ 2 thuộc vùng biển Cửu Long, gồm có 4 mỏ dầu Bạch Hổ, Rồng, Rạng Đông, Ru Bi. - Cụm thứ 3 ở vùng biển Nam Côn Sơn gồm mỏ Đại Hùng đang khai thác và các mỏ khí đã phát hiện khu vực xung quanh Lan Tây, Lan Đỏ, Hải Thạch, Mộc Tinh. - Cụm mỏ thứ 4 tại thềm lục địa Tây Nam gồm có mỏ BungaKewa - Cái Nước. Nguồn tiêu thụ đầu tiên là dự án khai thác và dẫn khí vào bờ cho các nhà máy điện Phú Mỹ I và Phú Mỹ II, nhà máy sản xuất phân đạm.
Cùng với nó, ngày 1/1/1995 nhà nước đã quyết định cho nhà máy điện Bà Rịa - Vũng Tàu sử dụng khí đồng hành thay diesel, đồng thời xây dựng nhà máy khí Dinh Cố tại Bà Rịa với công suất thiết kế là vận chuyển vào bờ 3 triệu m3 khí/ngày và sẽ được nâng lên 3,5 - 4 tỷ m3 khí/năm. Đây là nhà máy xử lý khí đầu tiên của nước ta đã chính thức hoạt động, cung cấp LPG phục vụ cho công nghiệp và dân dụng. Từ năm 1998 PetroVietnam cũng đã khởi công xây dựng nhà máy lọc dầu Dung Quất và cho tới nay đã dần hoàn thiện. LPG được sản xuất tại Dinh Cố sử dụng nguồn nguyên liệu là khí đồng hành được vận chuyển từ các mỏ Bạch Hổ, Rồng, Đại Hùng.
Khí đồng hành tại các mỏ này có hàm lượng H2S và CO2 rất thấp (0,4 - 4%) rất thuận lợi cho chế biến và sử dụng. Dầu mỏ Bạch Hổ có tỷ xuất khí hòa tan trung bình là 180m3/tấn nghĩa là cứ một tấn dầu trong điều kiện mỏ có áp suất lớn hơn áp suất bão hòa khi khai thác lên có thể tách ra 180m3 khí.2 Tình hình nghiên cứu sử dụng LPG cho động cơ đốt trong Với các ưu điểm sạch, nhiệt lượng cao và sức ép toàn cầu về vấn đề môi trường, LPG hiện đang là loại khí đốt được khuyến khích tiêu dùng với mức tăng trưởng hàng năm trên toàn thế giới đạt trên 3,5%. Tuy nhiên, LPG cũng bị cạnh tranh trực tiếp từ các loại khí đốt khác như CNG, LNG, đặc biệt là các khu vực có hệ thống cơ sở hạ tầng tốt với hệ thống dẫn khí đốt đồng bộ do giá các loại khí này rẻ hơn. Tuy nhiên, các loại khí này không thể so sánh được với LPG về tính linh hoạt trong tồn trữ, vận chuyển và phân phối.
Thực tế cho thấy ở đâu cần sự linh hoạt trong phân phối, ở đó LPG luôn chiếm ưu thế. Về xu hướng sử dụng, hiện nay tỷ trọng LPG sử dụng cho công nghiệp, hoá dầu, giao thông vận tải/động cơ đốt trong đang tăng dần.
