Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu đặc tính cháy và phát thải của động cơ lưỡng nhiên liệu cồn-diesel

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:87

Thêm vào BST

Báo xấu

27
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là xây dựng được mô hình động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel theo phương pháp phun hơi cồn vào đường nạp (alcohol fumigation) bằng phần mềm mô phỏng động cơ chuyên dụng 1D GT-Power; xác định được lượng phun tối ưu alcohol (methanol và ethanol) ứng với chế độ tính toán... Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu đặc tính cháy và phát thải của động cơ lưỡng nhiên liệu cồn-diesel

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHẠM HUY THUYẾT NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CHÁY VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU CỒN - DIESEL Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số: 80520116 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TRƯỞNG KHOA TS. Nguyễn Trung Kiên PHÒNG ĐÀO TẠO Thái Nguyên - 2018 i
LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, Phòng Đào tạo và Khoa kỹ thuật Ô tô và Máy động lực đã cho phép tôi thực hiện luận văn này. Xin cảm ơn Phòng Đào tạo và Khoa kỹ thuật Ô tô và Máy động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi học tập và làm luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Trung Kiên đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận văn. Tôi xin cảm ơn lãnh đạo, các đồng nghiệp tại Cơ quan nơi tôi công tác đã tạo điều kiện và động viên tôi trong suốt quá trình học tập. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận văn đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận văn này. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi học tập. Tuy nhiên do còn có hạn chế về thời gian cũng như kiến thức của bản thân nên đề tài của tôi có thể còn nhiều thiếu sót. Tôi rất mong nhận được sự góp ý để luận văn được hoàn thiện hơn. Học viên ii
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ....................................... v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................... vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ................................................... vii MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................... 1 2. Mục đích của đề tài ....................................................................................... 3 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn....................................................................... 4 * Ý nghĩa khoa học: ....................................................................................... 4 * Ý nghĩa thực tiễn: ........................................................................................ 4 4. Đối tượng nghiên cứu.................................................................................... 4 5. Phương pháp nghiên cứu............................................................................... 4 6. Các nội dung chính trong đề tài .................................................................... 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................ 6 1.1. Vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường ................................ 6 1.2. Tổng quan về nhiên liệu sinh học .............................................................. 7 1.3. Nhiên liệu ethanol .................................................................................... 10 1.3.1. Tính chất vật lý của ethanol ............................................................... 10 1.3.2. Công nghệ sản xuất ethanol............................................................... 11 1.3.3. Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới và Việt Nam ....................... 14 1.3.4. Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ diesel............................. 18 1.4. Kết luận chương 1 .................................................................................... 24 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ ... 25 SỬ DỤNG LƯỠNG NHIÊN LIỆU ................................................................ 25 2.1. Vấn đề kiểm soát phát thải độc hại trong động cơ đốt trong ................... 25 2.1.1. Đặc điểm phát thải độc hại của động cơ đốt trong ........................... 25 2.1.2. Các biện pháp giảm phát thải độc hại ............................................... 28 iii
2.2. Các mô hình tính toán chu trình công tác động cơ đốt trong ................... 30 2.3. Mô hình cung cấp lưỡng nhiên liệu diesel-alcohol .................................. 34 2.4. Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình mô phỏng .......................................... 35 2.4.1. Mô hình nhiệt động bên trong xi lanh động cơ.................................. 36  Lựa chọn mô hình cháy: ....................................................................... 36  Lựa chọn mô hình truyền nhiệt: ........................................................... 40 2.4.2. Mô hình đường ống thải..................................................................... 42 2.4.3. Mô hình đường ống nạp ..................................................................... 43 2.5. Xây dựng mô hình mô phỏng phần mềm GT-Power ............................... 43 2.5.1. Giới thiệu chung về phần mềm GT-Power ........................................ 43 2.5.2. Các phần tử chính của mô hình động cơ khảo sát............................. 45 2.6. Kết luận chương 2 .................................................................................... 51 CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU ................... 52 DIESEL - ALCOHOL..................................................................................... 52 3.1. Đặt vấn đề................................................................................................. 52 3.2. Xây dựng mô hình mô phỏng................................................................... 52 3.3. Kết quả mô phỏng .................................................................................... 62 3.3.1. Ảnh hưởng của lượng phun methanol, ethanol đến áp suất môi chất62 3.3.2. Ảnh hưởng của lượng phun methanol, ethanol đến nhiệt độ môi chất ...................................................................................................................... 64 3.3.3. Ảnh hưởng của lượng phun methanol, ethanol đến tốc độ tỏa nhiệt. 66 3.3.4. Ảnh hưởng của lượng phun methanol, ethanol đến phát thải CO2 ... 67 3.3.5. Ảnh hưởng của lượng phun methanol, ethanol đến phát thải NOx.... 69 3.3.6. Ảnh hưởng của lượng phun methanol, ethanol đến phát thải HC..... 71 3.4. Kết luận chương 3 .................................................................................... 71 KẾT LUẬN CHUNG ...................................................................................... 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 75 iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải LNG Khí thiên nhiên hóa lỏng CNG Khí nén thiên nhiên LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng HVO Dầu thực vật/mỡ động vật hydro hóa BTL Sinh khối hóa lỏng m Thống số đặc trưng cháy x Quy luật cháy dx/d Tốc độ cháy mnl Lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình, [kg/ct] QH Nhiệt trị thấp của nhiên liệu v
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Tính chất vật lý của ethanol ............................................................ 10 Bảng 3.1. Các thông số kỹ thuật của nhiên liệu diesel, methanol và ethanol . 52 Bảng 3.2. Các thông số đầu vào động cơ V12 sử dụng trong mô hình .......... 53 Bảng 3.3. Các phần tử chính của mô hình động cơ V12 ............................... 55 Bảng 3.4. Kết quả tính toán các chỉ tiêu công tác của động cơ V12 .............. 57 Bảng 3.5. Kết quả tính toán và so sánh với số liệu của nhà sản xuất ............. 58 theo đặc tính ngoài động cơ V12 .................................................................... 58 Bảng 3.6. Lượng phun diesel, methanol và ethanol........................................ 61 theo với các mức năng lượng chia sẻ với diesel khoáng ................................ 61 vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Sơ đồ sản xuất ethanol từ lúa mì và xi-rô đường ............................ 12 Hình 1.2. Sơ đồ sản xuất ethanol từ xenluloza ............................................... 13 Hình 2.1. Sự lựa chọn nhiên liệu thay thế ....................................................... 30 Hình 2.2. Sơ đồ động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-alcohol, [1] ........................ 35 Hình 2.3. Hệ số trao đổi nhiệt theo góc quay trục khuỷu tính toán ................ 42 theo phương trình của Woschni và Hohenberg............................................... 42 Hình 2.4. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử xy lanh ........................ 45 Hình 2.5. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu ......................................................... 46 cho phần tử cơ cấu phân phối khí ................................................................... 46 Hình 2.6. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử vòi phun...................... 47 Hình 2.7. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử các thông số động cơ .. 48 Hình 2.8. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử đường ống .................. 49 Hình 2.9. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử dòng phân chia ........... 50 Hình 3.1. Mô hình động cơ V12 ..................................................................... 55 Hình 3.2. Kết quả tính toán Me, Gnl và so sánh với số liệu ............................. 59 của nhà sản xuất theo đặc tính ngoài của động cơ V12 .................................. 59 Hình 3.3. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử vòi phun alcohol ......... 60 vào đường nạp của động cơ ............................................................................ 60 Hình 3.4. Mô hình cụm đường ống nạp động cơ V12 khi thiếp lập mô hình chạy lưỡng nhiên liệu diesel – alcohol ............................................................ 60 Hình 3.5. Lượng phun methanol, ethanol vào đường nạp .............................. 61 Hình 3.6. Diễn biến áp suất môi chất công tác trong xi lanh của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel – methanol ............................................................................ 62 Hình 3.7. Diễn biến áp suất môi chất công tác trong xi lanh của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel – ethanol ............................................................................... 63 Hình 3.8. Áp suất cực đại (a) và tốc độ tăng áp suất trung bình ..................... 63 của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel – alcohol ................................................ 63 Hình 3.9. Diễn biến nhiệt độ môi chất công tác trong xi lanh động cơ .......... 64 lưỡng nhiên liệu diesel – methanol ................................................................. 64 vii
Hình 3.10. Diễn biến nhiệt độ môi chất công tác trong xi lanh động cơ ........ 65 lưỡng nhiên liệu diesel – ethanol .................................................................... 65 Hình 3.11. Nhiệt độ cực đại môi chất công tác trong xi lanh động cơ ........... 65 lưỡng nhiên liệu diesel – alcohol .................................................................... 65 Hình 3.12. Tốc độ tỏa nhiệt của môi chất động cơ ......................................... 66 lưỡng nhiên liệu diesel – methanol ................................................................. 66 Hình 3.13. Tốc độ tỏa nhiệt của môi chất động cơ ......................................... 67 lưỡng nhiên liệu diesel – ethanol .................................................................... 67 Hình 3.14. Đặc tính phát thải CO2 động cơ .................................................... 68 lưỡng nhiên liệu diesel – methanol ................................................................. 68 Hình 3.15. Đặc tính phát thải CO2 động cơ .................................................... 68 lưỡng nhiên liệu diesel – ethanol .................................................................... 68 Hình 3.16. Đặc tính phát thải CO2 động cơ .................................................... 69 lưỡng nhiên liệu diesel – alcohol .................................................................... 69 Hình 3.17. Đặc tính phát thải NOx động cơ .................................................... 70 lưỡng nhiên liệu diesel - methanol .................................................................. 70 Hình 3.18. Đặc tính phát thải NOx động cơ .................................................... 70 lưỡng nhiên liệu diesel – ethanol .................................................................... 70 Hình 3.19. Đặc tính phát thải HC động cơ...................................................... 71 lưỡng nhiên liệu diesel – alcohol .................................................................... 71 viii
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Mặc dù hiện nay có rất nhiều loại động cơ được sử dụng để làm nguồn động lực như động cơ tua-bin khí, động cơ tua-bin hơi, động cơ phản lực, động cơ điện nhưng động cơ đốt trong kiểu pít tông vẫn được sử dụng rộng rãi nhất với số lượng lớn nhất trong mọi lĩnh vực: giao thông vận tải (đường sắt, đường bộ, đường thủy), nông nghiệp, lâm nghiệp, công nghiệp... Tổng công suất của động cơ đốt trong tạo ra chiếm khoảng 90% công suất của toàn bộ thiết bị động lực (nhiệt năng, thủy năng, năng lượng nguyên tử, năng lượng mặt trời). Trong số các chất gây ô nhiễm không khí nói chung, khí thải từ các phương tiện cơ giới đường bộ (PTCGĐB) chiếm một tỷ trọng đáng kể. Ngoài những ưu điểm không thể phủ nhận, trong quá trình hoạt động động cơ đốt trong (ĐCĐT) cũng gây ra những tác động xấu đến sức khỏe con người và môi trường sinh thái. Con người đã nhận thức rõ và ngày càng có những biện pháp cương quyết hơn nhằm hạn chế tác động tiêu cực của ĐCĐT. Thời gian gần đây, chính phủ các nước đã đưa ra những chính sách khác nhau nhằm kiểm soát ô nhiễm của các PTCGĐB. Chính những tiêu chuẩn về môi trường sẽ là một trong những yếu tố mạnh nhất tác động đến sự phát triển của ĐCĐT trong tương lai. Điều này cũng đặt ra yêu cầu cấp thiết đối với các nhà chuyên môn là phải nghiên cứu tìm ra những giải pháp phù hợp nhằm hạn chế tác động tiêu cực của ĐCĐT trong khi vẫn duy trì được những ưu điểm của chúng. Một trong những giải pháp phù hợp hiện nay là sử dụng các nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu truyền thống xăng hoặc diesel. Việc nghiên cứu phát triển và ứng dụng các loại nhiên liệu thay thế đang là xu hướng chung của nhiều nước trên thế giới nhằm làm giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, đảm bảo an ninh năng lượng cũng như giảm tác động tới môi trường đặc biệt là khí gây hiệu ứng nhà kính. Động cơ cháy do nén 1
(động cơ diesel) được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: nông nghiệp, giao thông vận tải, máy phát điện… do ưu điểm nổi bật là hiệu suất cao; tuy nhiên trong sản phẩm cháy lại chứa nhiều thành phần độc hại với con người và môi trường đặc biệt là ô xít ni tơ (NOx) và chấy ô nhiễm dạng hạt (PM - Particulate Matter). Sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc sinh học (bio-based fuels) trong động cơ diesel là một giải pháp hiệu quả nhằm giảm phát sinh các thành phần độc hại trong khí xả. Một trong số đó, nhiên liệu cồn (alcohol) là một trong những nhiên liệu tiềm năng nhằm giảm phát thải và sự lệ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Alcohol là loại nhiên liệu phù hợp để pha trộn với nhiên liệu diesel, do bản chất nó là nhiên liệu lỏng và chứa hàm lượng ô xi cao. Trong các loại nhiên liệu alcohol, các nhiện liệu alcohol chứa hàm lượng các bon thấp (chứa 3 hoặc ít hơn 2 nguyên tố cacbon) như Methanol và Ethanol hiện được coi là những nhiên liệu pha trộn với nhiên liệu diesel nhận được nhiều sự quan tâm do ưu điểm về công nghệ sản xuất và có hàm lượng ô xi cao, do đó cải thiện đáng kể đặc tính cháy và đặc tính phát thải. Tuy nhiên, do số Cetane thấp và nhiệt ẩn bay hơi cao cũng như vấn đề hòa trộn làm cản trở việc sử dụng các alcohol có hàm lượng các bon thấp làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel. Nhiên liệu alcohol có hàm lượng các bon cao (chứa từ 4 nguyên tố các bon trở lên) có nhiều triển vọng làm nhiên liệu thay thế hơn so với nhiên liệu alcohol hàm lượng các bon thấp do chúng có số Cetane và nhiệt trị cao hơn cũng như khả năng hòa trộn tốt hơn. Nhiên liệu alcohol có thể được sử dụng với nhiên liệu diesel bằng nhiều cách khác nhau, trong đó phương pháp phun hơi cồn vào đường nạp và pha trộn cồn - diesel được sử dụng phổ biến hơn cả. Trong phương pháp pha trộn cồn - diesel, nhiên liệu alcohol được pha trộn trước với nhiên liệu diesel với tỷ lệ nhất định trước khi phun vào trong xi lanh động cơ. Để nâng cao tính ổn định của hỗn hợp cồn - diesel cần thiết phải sử dụng thêm chất phụ gia, chính điều 2
này làm giới hạn lượng alcohol pha trộn với nhiên liệu diesel. Phương pháp phun hơn cồn vào đường nạp có nhiều ưu điểm hơn tuy nhiên cần có một số điều chỉnh nhỏ từ động cơ cơ sở như bố trí thêm một vòi phun nhiên liệu thấp áp, thùng nhiên liệu alcohol, đường ống và bộ điều khiển vòi phun nhiên liệu alcohol. Tuy nhiên phương pháp này đạt được nhiều kết quả mong muốn hơn, như hiệu suất của động cơ tốt hơn, hàm lượng nhiên liệu alcohol có thể sử dụng cao hơn, giảm đáng kể các chất ô nhiễm đặc biệt là oxit ni tơ (NOx) và chất ô nhiễm dạng hạt PM. Đã có nhiều công trình nghiên cứu về ảnh hưởng của tỷ lệ cồn đến hiệu suất, đặc tính cháy và đặc tính phát thải của động cơ diesel, tuy nhiên các công trình này chỉ trình bày kết quả nghiên cứu trong khi các thuật toán cùng mô phỏng số không được giới thiệu chi tiết; chính vì vậy, nghiên cứu đặc tính cháy và phát thải của động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel là cần thiết nhằm từng bước làm chủ công nghệ. Chính vì vậy, tác giả lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu đặc tính cháy và phát thải của động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel” làm đề tài luận văn cao học của mình. 2. Mục đích của đề tài - Xây dựng được mô hình động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel theo phương pháp phun hơi cồn vào đường nạp (alcohol fumigation) bằng phần mềm mô phỏng động cơ chuyên dụng 1D GT-Power. - Xác định được lượng phun tối ưu alcohol (methanol và ethanol) ứng với chế độ tính toán. - Đánh giá được ảnh hưởng của lượng phun methanol và ethanol vào đường nạp của động cơ đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và phát thải. - Trên cơ sở kết quả mô phỏng số đưa ra một số kết luận và kiến nghị. 3
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn * Ý nghĩa khoa học: Luận văn đã góp phần đánh giá được quá trình hình thành hỗn hợp và cháy của loại động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel trong động cơ cháy do nén thông qua mô hình mô phỏng được xây dựng trên phần mềm GT-Power. Từ mô hình này, có thể khảo sát ảnh hưởng của lượng phun alcohol khác nhau vào đường nạp đến đặc tính cháy, tính kinh tế nhiên liệu và phát thải của động cơ được khảo sát. Đây là cơ sở lý thuyết cho việc so sánh với thực nghiệm để từ đó có thể đề xuất kiến nghị sử dụng động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel cho động cơ cháy do nén (CI - Compression Ignition), do đó có thể giải quyết được vấn đề nguồn nhiên liệu mới và thân thiện với môi trường cho động cơ đốt trong. * Ý nghĩa thực tiễn: - Các mô hình xây dựng trong luận văn có thể tham khảo cho quá trình đào tạo chuyên sâu liên quan đến vận hành động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel cho động cơ cháy do nén; đặc biệt là phương pháp phun hơi cồn vào đường nạp động cơ (Alcohol Fumigation). - Mô hình động cơ lưỡng nhiên liệu đã xây dựng được có thể sử dụng làm cơ sở cho các mục đích tương tự. - Kết quả của luận văn là cơ sở lý thuyết cho việc so sánh với kết quả thực nghiệm khi nghiên cứu về động cơ lưỡng nhiên liệu cồn – diesel (loại phun hơi cồn vào đường nạp). 4. Đối tượng nghiên cứu Động cơ diesel 5. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết: sử dụng phần mềm GT-Power để mô phỏng và phân tích kết quả. 4
6. Các nội dung chính trong đề tài Thuyết minh của luận văn được trình bày gồm các phần chính sau: - Mở đầu - Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu - Chương 2. Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu - Chương 3. Mô phỏng động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - alcohol - Kết luận và kiến nghị 5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường Ngày nay, do sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp ô tô trên thế giới, nên nhu cầu về dầu mỏ tăng lên nhanh chóng. Thế giới đang phải đối mặt với thực tế là nguồn nhiên liệu dầu mỏ đang dần cạn kiệt. Theo dự báo của các nhà khoa học trên thế giới cho biết nguồn cung dầu mỏ có thể đáp ứng nhu cầu của thế giới trong khoảng 40 ÷ 50 năm nữa nếu không phát hiện thêm các nguồn dầu mỏ mới. Việt Nam là một quốc gia đang phát triển, nhu cầu vận chuyển bằng ô tô ngày càng tăng dẫn tới nhu cầu trong nước về nhiên liệu ngày càng tăng lên. Theo kết quả điều tra của tập đoàn dầu mỏ BP của Anh quốc, trữ lượng dầu mỏ trên trái đất đã khảo sát được khoảng 150 tỷ tấn. Năm 2003, lượng dầu mỏ trên trái đất tiêu thụ khoảng 3,6 tỷ tấn. Nếu không được phát hiện thêm những nguồn mới thì lượng dầu mỏ trên thế giới chỉ đủ dùng khoảng 40 năm nữa. Theo các chuyên gia kinh tế trên thế giới, trong vòng 15 năm nữa, lượng dầu mỏ cung cấp cho thị trường vẫn luôn thấp hơn nhu cầu, chính vì nhu cầu về xăng dầu và khí đốt không thấy điểm dừng như vậy đã đẩy mạnh giá dầu trên thế giới. Mặt khác, nguồn năng lượng trên thế giới chủ yếu lại tập trung ở các khu vực luôn có tình hình bất ổn như Trung Đông (chiếm 2/3 trữ lượng dầu mỏ trên thế giới), Trung Á, Trung Phi… Mỗi một đợt khủng hoảng giá dầu lại làm lay chuyển các nền kinh tế thế giới, đặc biệt là các nước đang phát triển như Việt Nam. Bên cạnh đó động cơ ô tô sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch từ dầu mỏ phát thải ra môi trường các chất độc hại gây ra ô nhiễm môi trường, phá hủy tầng ô zôn, ảnh hưởng đến sức khỏe con người. 6
Vì vậy việc tìm ra nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường là rất quan trọng và thiết thực. Song hành cùng với việc sử dụng nhiên liệu truyền thống trên động cơ ô tô, các nhà khoa học trong và ngoài nước đã và đang nghiên cứu tìm ra và sử dụng các nguồn nhiên liệu thay thế thân thiện với môi trường cho động cơ đốt trong. 1.2. Tổng quan về nhiên liệu sinh học Nhiên liệu sinh học (NLSH) (Biofuels) là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc động thực vật. Ví dụ như nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa,…), ngũ cốc (lúa mì, ngô, đậu tương, sắn,…), chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân,…), sản phẩm trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải,…) [4]. NLSH dùng cho giao thông vận tải chủ yếu gồm các loại cồn (Methanol, Ethanol, Butanol), các loại diesel sinh học (sản xuất từ dầu thực vật, dầu thực vật phế thải, mỡ động vật). Đây là nguồn nhiên liệu thay thế tiềm năng cho tương lai, tuy nhiên bên cạnh đó cũng có những hạn chế nhất định. Một số ưu điểm chính của NLSH so với các loại nhiên liệu truyền thống như sau: * Ưu điểm: + Thân thiện với môi trường: NLSH sinh ra ít hàm lượng khí gây hiệu ứng nhà kính (CO2, CO, N2O,…) và ít gây ô nhiễm môi trường hơn các loại nhiên liệu truyền thống. + Là nguồn nhiên liệu có thể tái sinh: các nhiên liệu này lấy từ hoạt động sản xuất nông, lâm nghiệp và có thể tái sinh, giúp giảm sự lệ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch (dầu mỏ, than đá,…). * Nhược điểm: - Phát triển NLSH có nguồn gốc từ thực vật yêu cầu diện tích canh tác lớn dẫn đến việc cạnh tranh diện tích canh tác với các cây lương thực khác do 7
đó sẽ làm giá lương thực tăng cao, nếu phát triển không hợp lý có thể gây đe dọa tới an ninh lương thực. - Phát triển NLSH có nguồn gốc từ động thực vật còn gặp phải một khó khăn nữa đó là phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện thời tiết, dịch bệnh nếu điều kiện không thuận lợi thì quá trình sản xuất không thể diễn ra liên tục được. - Công nghệ để đầu tư cho sản xuất nhiên liệu sinh học tiên tiến (chế tạo nhiên liệu sinh học từ lignin cellulose - có trong rơm, cỏ, gỗ,…) có giá vốn cao. - NLSH khó cất giữ và bảo quản hơn so với nhiên liệu truyền thống (dễ bị biến tính phân hủy theo thời gian). Tùy theo lợi thế về nguyên liệu của mỗi quốc gia mà người ta chọn các loại nguyên liệu phù hợp để sản xuất. Đồng thời cũng dựa trên nguồn nguyên liệu dùng để sản xuất NLSH người ta chia NLSH thành ba thế hệ [4]: - NLSH thế hệ đầu tiên: là nhiên liệu sinh học được sản xuất từ các nguyên liệu có bản chất là thực phẩm ví dụ như các nguyên liệu có chứa tinh bột, đường, mỡ động vật, dầu thực vật,… - NLSH thế hệ thứ hai: khắc phục được các vấn nạn về lương thực của NLSH thế hệ đầu tiên. Thay vì chỉ sử dụng đường, tinh bột, dầu như ở thế hệ đầu tiên, kỹ thuật này cho phép sử dụng tất cả các hình thức sinh khối chứa lignocellulose. Các loại cỏ cây, các phế phẩm công nghiệp và nông nghiệp đều có thể được chuyển đổi thông qua hai con đường: hóa sinh và nhiệt hóa. - NLSH thế hệ thứ 3: có nguồn gốc từ tảo ra đời và được coi là một năng lượng thay thế khả thi. Vi tảo có thể sản xuất nhiều dầu hơn 5 ÷ 300 lần để sản xuất biodiesel, hơn nữa so với cây trồng thông thường được thu hoạch 1 ÷ 2 lần trong một năm thì vi tảo có chu kỳ thu hoạch rất ngắn (khoảng 1 ÷ 10 ngày tùy thuộc vào từng tiến trình) cho phép thu hoạch nhiều và liên tục với năng suất đáng kể. Ý tưởng dùng vi tảo để sản xuất NLSH không còn là mới, nhưng nó 8
đang được xem xét một cách nghiêm túc do giá xăng dầu tăng cao, và mối quan tâm mới nổi về sự nóng lên trên toàn cầu do đốt các nhiên liệu hóa thạch. Các loại nhiên liệu sinh học thường sử dụng trên thực tế hiện nay có thể kể tên như sau: - Bioethanol; - Biodiesel; - Methane (biogas); - Biohydrogen; - Dimethyl ether (DME). Trong đó bio-ethanol (gọi tắt là ethanol) được sản xuất và sử dụng rộng rãi ở Mỹ, Brazil và các nước đang phát triển như Thái Lan và Trung Quốc. Ethanol đã có lịch sử phát triển lâu đời và được ứng dụng lên động cơ đánh lửa cưỡng bức, động cơ chạy ethanol đã ra đời từ những năm đầu tiên trong thời kỳ phát triển của động cơ đốt trong. Henry Ford là người đầu tiên đề xuất việc sử dụng ethanol bởi vì đặc tính cháy tốt, có thể được chế tạo từ các sản phẩm nông nghiệp. Thực tế thì Brazil đã thực hiện ý tưởng này và là đất nước đi đầu về việc ứng dụng ethanol làm nhiên liệu sử dụng cho động cơ trên toàn thế giới. Ethanol được sản xuất nhờ sự lên men của các nguyên liệu nông nghiệp như ngô, khoai tây, củ cải đường… Những sản phẩm thừa trong nông nghiệp như pho mát cũng có thể được sử dụng. Ngoài tinh bột, đường là những nguồn nguyên liệu để chế tạo ra cồn ethanol. Ở Brazil thì ethanol được sản xuất từ bã mía, vì vậy giá thành rất rẻ và thân thiện với môi trường. Còn ở Pháp thì ethanol được sản xuất chủ yếu từ nho, khiến cho lượng nho cung cấp cho việc sản xuất rượu vang bị suy giảm. Ngoài ra ethanol còn có thể được sản xuất từ gỗ. Ethanol nguyên chất ít được dùng làm nhiên liệu, thông thường ethanol được pha với xăng để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. 9
1.3. Nhiên liệu ethanol 1.3.1. Tính chất vật lý của ethanol Ethanol là chất lỏng không màu, mùi thơm dễ chịu, vị cay, nhẹ hơn nước (khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 15oC), sôi ở 78,39oC, hóa rắn ở - 114,15oC, tan vô hạn trong nước. Sở dĩ ethanol tan tốt trong nước và có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều so với este hay aldehit có cùng số cacbon là do sự tạo thành liên kết hydro giữa các phân tử với nhau và với nước. Một số tính chất vật lý thể hiện trong bảng 1.1 [4]. Bảng 1.1. Tính chất vật lý của ethanol TT Tính chất Giá trị 1 Công thức phân tử C2H5OH hay C2H6O 2 Phân tử gam 46,07 g/mol 3 Cảm quan Chất lỏng trong suốt dễ cháy 4 Tỷ trọng 0,789 5 Độ nhớt 1,2 cP ở 20oC 6 Độ tan trong nước Tan hoàn toàn 7 Nhiệt độ sôi 78,4oC (351,6 K) 8 Nhiệt độ tan 158,8 K (-114,3 oC) 9 Điểm tới hạn 514 K 10 pH 7,0 (trung tính) 11 Cp 65,21 J/mol.K Buồn nôn, gây mửa, gây trầm cảm, 12 Tác động cấp tính ngừng thở trong trường hợp nặng 13 Tác động kinh niên Nghiện, xơ gan 14 Nhiệt độ tự cháy 425 oC 15 Mật độ giới hạn nổ 3,5 ÷ 15% 10
1.3.2. Công nghệ sản xuất ethanol  Phương pháp hydrat hóa etylen Cho etylen hợp nước ở 300 0C áp suất 70 ÷ 80 atm với xúc tác là axit: CH2 = CH2 + H2O  CH3-CH2-OH Chất xúc tác thường sử dụng là axit photphoric được mang trên các chất có độ xốp cao như diatomit hay than củi. Chất xúc tác này được công ty Shell sử dụng để sản xuất ethanol ở mức độ công nghiệp năm 1947. Một axit khác cũng được sử dụng phổ biến, đó là axit sunfuric. Phản ứng xẩy 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-CH2OSO3H CH3-CH2OSO3H + 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 như: methanol, denatonium (C21H29N2O, C7H5O2) là một chất gây đắng, gây tê. Ethanol điều chế theo phương pháp công nghiệp thường có chỉ số UN bằng 1986 ÷ 1987 [4].  Công nghệ lên men sản xuất ethanol Ethanol có thể được sản xuất bằng công nghệ lên men, nguyên liệu có thể là các loại cây trồng chứa đường đơn giản hoặc ngũ cốc chứa tinh bột (Hình 1.1). Tinh bột ngũ cốc gồm các phần tử cacbonhydrat phức tạp nên phải phân hủy thành đường đơn giản nhờ quá trình thủy phân trước khi lên men. Hạt ngũ cốc được xay, nghiền ướt thành dạng bột nhão, sau đó được nấu và thủy phân để tạo đường. Trong trường hợp thủy phân bằng axit thì cần rót axit loãng vào khối bột nhão trước khi đem nấu. Quá trình lên men được xúc tiến mạnh khi có mặt một số chủng men ancol. Để thuận lợi cho quá trình lên men, pH của dung dịch thủy phân cần điều chỉnh ở mức 4,8 ÷ 5,0. Ethanol sinh ra trong quá trình 11
lên men sẽ hòa tan trong nước nên sau đó phải tiến hành chưng cất và tinh cất để tạo ethanol nguyên chất (có thể đạt mức ethanol tuyệt đối - ethanol khan). Hình 1.1. Sơ đồ sản xuất ethanol từ lúa mì và xi-rô đường  Công nghệ sinh học sản xuất ethanol từ nguyên liệu xenluloza Công nghệ sinh học sản xuất ethanol từ xenluloza thể hiện qua quy trình xử lý thủy phân xenluloza trong đó bao gồm thủy phân nguyên liệu licnoxenluloza tiền xử lý, sử dụng các enzym để phá vỡ cellulose phức tạp để tạo thành đường đơn giản và tiếp theo là quá trình lên men và chưng cất. Có 6 giai đoạn để sản xuất ethanol từ xenluloza như giới thiệu trên hình 1.2. - Giai đoạn tiền xử lý, để tạo nguyên liệu licnoxenluloza như gỗ hoặc rơm rạ để thủy phân. - Thủy phân xenluloza (cellulolysis), để bẻ gãy các phân tử để tạo đường. - Tách đường từ các nguyên liệu còn sót lại, đáng chú ý là lignin (phức polyme thơm). - Lên men đường. - Chưng cất để tạo ra ethanol nguyên chất. - Khử nước để tạo ra ethanol khan với nồng độ lên đến 99,7%. 12