Nghiên cứu tổng quan khả năng sản xuất và sử dụng ethanol làm nhiên liệu cho động cơ

ng cao càng tốt, tuy nhiên phải phù hợp với từng loại động cơ. Hiện tượng cháy kích nổ. Quá trình cháy của nhiên liệu trong buồng đốt luôn có sự cạnh tranh giữa hai quá trình là cháy cưỡng bức và tự bốc cháy. Nếu vận tốc lan tràn màng lửa từ 15 đến 40 (m/s) thì quá trình cháy bình thường. Nếu vận tốc lan tràn màng lửa trên 300 (m/s) thì quá trình cháy không bình thường hay cháy kích nổ. Bản chất của hiện tượng cháy kích nổ trong động cơ xăng. Bản chất của hiện tượng kích nổ là sự oxy hóa các hydrocacbon kém bền để tạo ra các hợp chất chứa oxy như peroxyt, hydroperoxyt, rượu, xeton, axit… trong số các hợp chất này thì đáng chú ý nhất là các hợp chất peroxyt, hydroperoxyt đây là những hợp chất kém bền dễ bị phân hủy tạo ra các gốc tự do để sinh ra các phản ứng chuỗi dẫn đến sự tự bốc cháy. Các yếu tố liên quan đến động cơ ảnh hưởng lên chỉ số octane. + Góc đánh lửa sớm. Nếu đánh lửa quá sớm so với ĐCT, tổn thất công sẽ gia tăng ngược lại nếu đánh lửa quá trễ, đỉnh của đường áp suất sẽ xuất hiện trên đường giãn nở và áp suất cực đại cũng giảm, do đó công truyền từ môi chất công tác cho piston cũng giảm. Góc đánh lửa sớm tối ưu được lựa chọn sao cho công chu trình lớn nhất. Thông thường người ta xác định góc đánh lửa sớm tối ưu theo kinh nghiệm. + Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất trong buồng đốt gia tăng nhiều có thể là nguyên nhân của sự cháy kích nổ lớn và kéo dài, gây giảm công suất và hư hỏng động cơ. + Tỷ số nén: Nếu tăng tỷ số nén thì hiệu suất động cơ tăng nhưng dễ xảy ra hiện tượng kích nổ. + Độ giàu: Xu hướng cháy kích nổ giảm đi với hỗn hợp hoặc là nghèo hoặc là giàu nhiên liệu. Các phương pháp xác định trị số octane: + Trị số octane nghiên cứu ký hiệu là RON theo tiêu chuẩn ASTM D2700. + Trị số octane động cơ ký hiệu là MON theo tiêu chuẩn ASTM D2699. + Trị số octane trên đường (Road ON). Các phương pháp làm tăng chỉ số octane: + Phương pháp dùng phụ gia. Bản chất của phương pháp này là dùng một số hóa chất pha vào xăng nhằm hạn chế quá trình oxy hóa của các hydrocacbon ở không gian trước mặt màng lửa khi cháy trong động cơ. Có 2 loại phụ gia: Phụ gia chì: Bao gồm các chất như tetrametyl chì (TML), tetraetyl chì. Nó sẽ tác dụng với các hợp chất trung gian hoạt động (peroxyt, hydroperoxyt) và tạo thành các hợp chất mới bền vững hơn do đó làm giảm khả năng bị cháy kích nổ. Phụ gia chì khi cho vào xăng làm tăng trị số octane nhiều nhất (6÷12 đơn vị octane). Tuy nhiên do tính độc hại của nó nên ngày nay phụ gia chì không được sử dụng nữa. Phụ gia không chì: Sử dụng các hợp chất chứa oxy như methanol, ethanol,…Do chúng được pha vào xăng với một lượng tương đối lớn nên được xem là cấu tử pha trộn để tăng chỉ số octane của xăng. Ưu, nhược điểm của methanol và ethanol: Loại phụ gia Ưu điểm Nhược điểm Methanol - Dễ kiếm - Dễ tan trong nước - Làm tăng PVR - Làm tăng khả năng cháy nổ - Rất độc Ethanol - Dễ kiếm - Dễ tan trong nước - Làm tăng PVR - Làm tăng khả năng cháy nổ + Phương pháp hóa học. Để tăng chỉ số octane cho nhiên liệu xăng ta phải áp dụng các công nghệ lọc dầu tiên tiến nhất để chuyển các hydrocacbon mạch thẳng thành mạch nhánh, hoặc thành hydrocacbon vòng thơm có chỉ số octane cao. Đó là các quá trình như: reforming xúc tác, alkyl hóa, isomer hóa… I.1.2.2. Nhiệt độ chớp cháy. Nhiệt độ chớp cháy là nhiệt độ tại đó khi nhiên liệu được đốt nóng, hơi hydrocacbon sẽ thoát ra tạo với không khí xung quanh một hỗn hợp mà nếu đưa ngọn lửa đến gần chúng sẽ bùng cháy rồi phụt tắt như một tia chớp. Như vậy, nhiệt độ chớp cháy có liên quan đến hàm lượng các sản phẩm nhẹ có trong nhiên liệu. Dầu càng có nhiều cấu tử nhẹ, nhiệt độ chớp cháy càng thấp. Nhiệt độ này đặc trưng cho mức độ hoả hoạn, quá trình vận chuyển bảo quản và sử dụng an toàn phòng chống cháy nổ. I.1.2.3. Tính ổn định hóa học. Là khả năng chống lại sự oxy hóa làm biến chất sản phẩm đối với môi trường xung quanh. Khi xăng bị oxy hóa thì dễ tạo nhựa và nhựa sinh ra sẽ đọng lại trên thành ống dẫn làm giảm tiết diện ống nên lượng xăng đi vào buồng cháy giảm, làm giảm công suất của động cơ. I.1.2.4. Các chỉ tiêu khác. Hàm lượng chì. Để tăng chỉ số octane của xăng thì người ta pha thêm vào xăng nước chì ((C2H5)4Pb + C2H5Br hoặc C2H5Cl ). Nước chì rất độc, gây tổn thương cho hệ thần kinh trung ương, do đó ngày nay người ta không sử dụng xăng pha chì nữa. Hàm lượng lưu huỳnh. Bất kỳ một loại dầu thô nào cũng chứa hàm lượng lưu huỳnh nhất định. Trong quá trình chế biến các hợp chất lưu huỳnh được loại ra khỏi sản phẩm nhưng vẫn còn một phần tồn tại trong sản phẩm cuối cùng. Vì vậy xăng bao giờ cũng chứa một hàm lượng lưu huỳnh nhất định. Lưu huỳnh tồn tại trong xăng gây ăn mòn động cơ và ô nhiễm môi trường do quá trình cháy tạo ra SO2 và SO3. Ngoài ra nó còn ảnh hưởng xấu đến hoạt động của bộ xúc tác. Hàm lượng lưu huỳnh được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D1266. Hàm lượng aromatic. Sự có mặt của các hydrocacbon thơm trong xăng làm tăng chỉ số octane nhưng nếu hàm lượng quá lớn làm cho nhiên liệu khó cháy, mặt khác chúng là các hợp chất gây tác hại tới sức khoẻ con người và gây ô nhiễm môi trường. Do đó, hàm lượng benzen được quy định nhỏ hơn 1% thể tích và hàm lượng hydrocacbon thơm nhỏ hơn 20% thể tích. Hàm lượng nước và các tạp chất cơ học. Về yêu cầu kỹ thuật, hàm lượng nước và các tạp chất cơ học không được tồn tại trong xăng. Tuy nhiên, trong quá trình vận chuyển và tồn chứa, nước tự do có thể lẫn vào. Biết được hàm lượng nước trong xăng có ý nghĩa rất quan trọng, giúp cho việc tính toán khối lượng sản phẩm, khả năng chống ăn mòn... Tổng hàm lượng nước xác định theo phương pháp ASTM D95-83. Đối với hàm lượng tạp chất cơ học yêu cầu kỹ thuật không cho phép tồn tại trong xăng. Tuy nhiên trong quá trình vận chuyển và tồn chứa, hàm lượng tạp chất cơ học có thể tăng lên. I.2. Lợi ích và tác hại của xăng. I.2.1. Lợi ích. Xăng giữ một vai trò cực kỳ quan trọng trong cuộc sống và trong nền công nghiệp của bất kỳ một quốc gia nào. Chính vì thế nó luôn dành được sự quan tâm đặc biệt của các nhà cầm quyền. Mọi sự biến động về xăng dầu dẫn đến sự biến động của nền kinh tế thế giới. Có thể nói xăng là một phần tất yếu của cuộc sống hiện đại. I.2.2. Tác hại. Hiện nay vấn đề ô nhiễm môi trường không khí do việc sử dụng các loại nhiên liệu hoá thạch nói chung và xăng nói riêng đang là vấn đề đáng báo động của các nước trên thế giới.Việc gia tăng lượng khí phát thải đã và đang dẫn đến các hậu quả nghiêm trọng đối với môi trường và khí hậu toàn cầu: hiệu ứng nhà kính, sự nóng dần lên của trái đất cũng như nồng độ các khí độc hại như COx, NOx, SO2 hay bồ hóng, HAP gia tăng đe dọa đến sức khoẻ con người. I.2.2.1. Đối với sức khỏe con người [2]. CO: Tác hại của khí CO đối với con người xảy ra khi nó tác dụng đối với hồng cầu trong máu tạo thành một hợp chất bền vững: HbO2 + CO ® HbCO + O2 làm giảm lượng hồng cầu trong máu. Từ đó làm giảm khả năng hấp thụ oxy của hồng cầu để nuôi dưỡng tế bào cơ thể. Nạn nhân bị tử vong khi 70% số hồng cầu bị khống chế (khi nồng độ CO trong không khí >1000 ppm). Ở nồng độ thấp hơn, CO cũng có thể gây nguy hiểm đối với con người: khi 20% hồng cầu bị khống chế, nạn nhân bị nhức đầu, chóng mặt, buồn nôn và khi tỉ số này lên đến 50%, não bộ con người bắt đầu bị ảnh hưởng nặng. NOx: NOx là họ các oxit nitơ, trong đó: - NO là chất khí không màu, không mùi, không tan trong nước. NO có thể gây nguy hiểm cho cơ thể do tác dụng với hồng cầu trong máu làm giảm khả năng vận chuyển oxy gây thiếu máu. NO ở hàm lượng cao rất dễ bị oxy hoá thành NO2 nhờ oxy của không khí. - NO2 là chất khí màu nâu nhạt, mùi của nó có thể bắt đầu được phát hiện ở nồng độ 0,12ppm. NO2 dễ hấp thụ bức xạ tử ngoại, dễ hoà tan trong nước và tham gia phản ứng quang hoá. NO2 là loại khí có tính kích thích, khi tiếp xúc với niêm mạc tạo thành axit qua đường hô hấp hoặc hoà tan vào nước bọt rồi vào đường tiêu hoá, sau đó vào máu. Ở hàm lượng 15 ¸ 50ppm NO2 gây nguy hiểm cho tim phổi và gan. - N2O chiếm một lượng rất ít trong khói thải động cơ. Hydrocarbure: Hydrocarbure (HC) có mặt trong khí thải do quá trình cháy không hoàn toàn khi hỗn hợp giàu, hoặc do hiện tượng cháy không bình thường. Chúng gây tác hại đến sức khỏe con người chủ yếu là do các hydrocarbure thơm. Từ lâu người ta đã xác định được vai trò của benzen trong căn bệnh ung thư máu khi nồng độ của nó lớn hơn 40ppm hoặc gây rối loạn hệ thần kinh khi nồng độ lớn hơn 1g/m3, đôi khi nó là nguyên nhân gây các bệnh về gan. SO2: Oxyt lưu huỳnh là một chất háo nước, vì vậy nó rất dễ hòa tan vào nước mũi, bị oxy hóa thành H2SO4 và muối amonium rồi đi theo đường hô hấp vào sâu trong phổi. Mặt khác, SO2 làm giảm khả năng đề kháng của cơ thể và làm tăng cường độ tác hại của các chất ô nhiễm khác đối với nạn nhân. Bồ hóng: Bồ hóng là chất ô nhiễm đặc biệt quan trọng trong khí xả động cơ diesel. Nó tồn tại dưới dạng những hạt rắn có đường kính trung bình khoảng 0,3mm nên rất dễ xâm nhập sâu vào phổi. Sự nguy hiểm của bồ hóng, ngoài việc gây trở ngại cho cơ quan hô hấp như bất kì một tạp chất cơ học nào khác có mặt trong không khí, nó còn là nguyên nhân gây ra bệnh ung thư do các hydrocarbure thơm mạch vòng (HAP) hấp phụ trên bề mặt của chúng trong quá trình hình thành. HAP (hydrocacbon polyaromactic) Thành phần HAP có trong khí quyển với nồng độ 20 mg/m3. Chúng được tạo thành khi ngưng tụ các hydrocacbon trong nhiên liệu. HAP hấp phụ trong các hạt hữu cơ như bụi, bồ hóng đi vào cơ thể gây ung thư. I.2.2.2. Đối với môi trường Thay đổi nhiệt độ khí quyển. Trong số những chất khí gây hiệu ứng nhà kính, người ta quan tâm đến khí carbonic CO2 vì nó là thành phần chính trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có chứa thành phần carbon. Sự gia tăng nhiệt độ bầu khí quyển do sự hiện diện của các chất khí gây hiệu ứng nhà kính được giải thích như sau: Bức xạ mặt trời (sóng ngắn) Bức xạ nhiệt từ mặt đất (sóng dài) Khi trong khí quyển có nồng độ khí CO2 lớn Hình 3.1: Hiệu ứng nhà kính của CO2. Khí quyển Khi trong khí quyển có nồng độ khí CO2 bình thường Bức xạ nhiệt từ mặt đất (sóng dài) Với mức độ thải CO2 ra môi trường như hiện nay, theo dự đoán của các nhà khí tượng đến giữa thế kỷ 22 thì nồng độ khí CO2 sẽ tăng lên gấp đôi. Như vậy sẽ dẫn đến nhiều tác hại: - Nhiệt độ bầu khí quyển tăng từ 2 ¸30C [2]. - Một lượng lớn băng ở Bắc Cực và Nam Cực sẽ tan ra làm tăng mực nước biển. - Nhiệt độ trái đất tăng làm xuất hiện các bệnh lạ, làm rối loạn quá trình sống bình thường của các loài sinh vật trên trái đất. - Nhiệt độ trái đất tăng làm giảm khả năng hoà tan CO2 trong nước biển. Lượng CO2 trong khí quyển tăng làm mất cân bằng CO2 giữa khí quyển và đại dương. - Làm thay đổi lượng mưa gió và sa mạc hoá thêm bề mặt quả đất. Mưa axit. Các chất khí có tính axit như SO2, NOx có mặt trong thành phần không khí do sự phát thải động cơ. Các chất này dễ hoà tan trong nước, trong quá trình tạo mưa, các oxit này sẽ phản ứng với hơi nước trong khí quyển sinh ra H2SO3, H2SO4, HNO3 hoặc HNO2 làm các giọt mưa này mang tính axit. Những axit này do tác dụng của gió cùng với mây di chuyển khắp nơi rồi rơi xuống mặt đất cùng với các hạt mưa. Mưa chứa axit được gọi là mưa axit. Mưa axit làm tăng độ axit của đất, huỷ diệt rừng, mùa màng, gây nguy hại đối với sinh vật dưới nước, nguy hại đối với người và động vật, làm hỏng nhà cửa, cầu cống và các công trình. Do mưa axit mà đất bị axit hoá, tăng khả năng hoà tan của một số kim loại nặng trong nước, gây ô nhiễm hoá học, cây cối hấp thụ kim loại nặng như Cd, Zn đi vào nguồn thực phẩm, gây nhiễm độc cho người và gia súc. Mưa axit có thể gây nguy hiểm đối với hệ thần kinh vì sản phẩm axit là các hỗn hợp rất độc hại hoà tan trong nước uống xâm nhập vào cơ thể. Tầng ozone và lỗ thủng tầng ozone. Do quá trình hình thành và phân huỷ ozone (O3) luôn diễn ra nên ozone có chu kì tồn tại trong khí quyển rất ngắn. Lượng ozone tập trung nhiều nhất trong tầng bình lưu (ở độ cao 25 km) tạo thành tầng ozone với nồng độ 5¸10 ppm. Tầng ozone được xem là cái ô bảo vệ loài người và thế giới động vật tránh khỏi tai hoạ do bức xạ tia tử ngoại của mặt trời gây ra, nó giữ vai trò quan trọng đối với khí hậu và sinh thái trái đất. Khi bức xạ mặt trời chiếu qua tầng ozone, phần lớn lượng bức xạ tử ngoại đã bị hấp thụ trước khi chiếu xuống trái đất. Nếu các hoạt động của con người làm suy yếu tầng ozone trong khí quyển sẽ gây thảm hoạ đối với hệ sinh thái trên trái đất. Trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã phát hiện nồng độ ozone trong khí quyển của trái đất ở một số nơi đã suy giảm (ví dụ ở Nam cực). Ngoài các chất như freon, Cl2, HCl thì sự có mặt của các khí sinh ra do khói thải động cơ như CH4, NOx và các chất hữu cơ cũng là nguyên nhân gây suy giảm tầng ozone. I.3. Các biện pháp kỹ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm của động cơ xăng. Qua nghiên cứu, việc làm giảm mức độ phát sinh ô nhiễm trong khí thải động cơ xăng được thực hiện theo các biện pháp chính sau: + Cải thiện động cơ và tối ưu hóa quá trình cháy. + Xử lý chất ô nhiễm trước khi thải ra môi trường. + Cải thiện nhiên liệu bằng cách sử dụng nhiên liệu sạch hay nhiên liệu thay thế. I.3.1. Cải thiện động cơ và tối ưu quá trình cháy. Đối với động xăng, ba chất ô nhiễm chính cần quan tâm là NOx, HC và CO. Để làm giảm nồng độ các chất ô nhiễm, đặc biệt là HC, người ta tăng cường sự phối trộn của nhiên liệu và không khí nhằm giúp cho quá trình cháy tốt hơn, hạn chế việc xuất hiện những vùng “chết”. Gia tăng chuyển động rối có thể thực hiện bằng cách sau: - Sử dụng hai soupape nạp khi động cơ làm việc ở chế độ toàn tải và một supape khi làm việc ở non tải. - Tạo ra một tia khí tốc độ cao phun vào đường nạp phụ có kích thước nhỏ hơn đường ống nạp chính. Ở động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo, việc làm giảm nồng độ NOx trong khí xả có thể được thực hiện riêng rẽ hay đồng thời hai giải pháp sau đây [3]: - Tổ chức quá trình trình cháy với độ đậm đặc rất thấp. - Hồi lưu một bộ phận khí xả (EGR: Exhaust Gas Recirculation). Ngày nay, hệ thống hồi lưu khí xả được dùng phổ biến trên tất cả loại động cơ đánh lửa cưỡng bức. Nó cho phép làm bẩn hỗn hợp ở một số chế độ công tác của động cơ nhằm làm giảm nhiệt độ cháy và do đó làm giảm được nồng độ NOx. I.3.2. Xử lí khí xả bằng bộ xúc tác. Việc xử lí khí xả động cơ đốt trong bằng bộ xúc tác đã được nghiên cứu và phát triển ở Mĩ cũng như ở Châu Âu từ những năm 1960. Đầu tiên, người ta sử dụng các bộ xúc tác oxy hóa trên những động cơ hoạt động với hỗn hợp giàu. Sau đó, hệ thống xúc tác lưỡng tính đã được phát triển để xử lí khí xả. Hệ thống này bao gồm bộ xúc tác khử, bộ cung cấp không khí và bộ xúc tác oxy hóa. Bộ xúc tác “ba chức năng” đầu tiên được đưa vào sử dụng từ năm 1975 trên động cơ đánh lửa cưỡng bức làm việc với hệ số dư lượng không khí α xấp xỉ 1 và trở thành bộ xúc tác được ứng dụng rộng rãi nhất hiện nay [3]. I.3.3. Cải thiện nhiên liệu bằng cách sử dụng nhiên liệu sạch hay dùng nhiên liệu thay thế. Nâng cao chất lượng của xăng nhiên liệu được xem là biện pháp hữu hiệu nhất để giảm phát thải của các chất ô nhiễm thoát ra trong quá trình cháy của động cơ xăng. Đây chính là phương pháp cắt giảm các chất ô nhiểm ngay từ nguồn. Bằng cách sử dụng các quá trình chuyển hóa hóa học như: alkyl hóa, isomer hóa, cracking xúc tác, xử lý bằng hydro…, người ta đã sản xuất được những loại xăng có chất lượng cao, đáp ứng được các tiêu chuẩn kỹ thuật và tiêu chuẩn môi trường. Hiện tại, Việt Nam đang sử dụng TCVN 6776:2005 xây dựng dựa trên tiêu chuẩn EURO 2 với hàm lượng các chất ô nhiễm còn tương đối cao. Trong khi đó, châu Âu đã sử dụng tiêu chuẩn EURO 4 và đang chuẩn bị nâng lên tiêu chuẩn EURO 5 với hàm lượng các chất ô nhiễm rất thấp (hàm lượng S <=10ppm). Hình 3.2: TIÊU CHUẨN CHUYỂN ĐỔI KHÍ THẢI Với so sánh trên cho ta thấy được mức độ ô nhiễm ở Việt Nam. Vì vậy, nếu không có những bước đi đúng đắn, đến một lúc nào đó chính tự nhiên sẽ trả thù chúng ta. Bên cạnh việc cải thiện chất lượng nhiên liệu thì việc nguyên cứu sử dụng các nguồn nhiên liệu thay thế ngày càng trở nên cấp thiết đặc biệt trong bối cảnh hiện nay khi mà dầu mỏ ngày càng cạn kiệt, giá xăng dầu ngày càng leo thang (có lúc giá dầu thô vượt ngưỡng 70$/thùng). Trong các loại nhiên liệu thay thế đó nổi lên thuật ngữ “Gasohol-xăng pha cồn” và đây cũng chính là vấn đề dành được nhiều sự quan tâm nhất trên các phương tiện thông tin đại chúng hiện nay. Thực ra ý tưởng sử dụng cồn để thay thế cho nhiên liệu có nguồn gốc từ dầu mỏ đã có từ khá lâu. Ngay từ những năm 20 của thế kỷ trước, cồn đã được nghiên cứu để làm nhiên liệu cho động cơ ôtô, xe máy. Điển hình cho hướng đi tiên phong này là Braxin và Mỹ. Tuy nhiên, khi công nghệ hóa dầu ra đời với những sản phẩm xăng dầu có chất lượng cao đã nhanh chóng đẩy lùi ý tưởng sử dụng cồn làm nhiên liệu cho động cơ ôtô, xe máy. Cho đến những năm 70 của thế kỷ 20, khi thế giới bắt đầu có sự khủng hoảng dầu mỏ thì cồn và nhiên liệu sinh học mới thực sự được khởi động trở lại và đến những năm đầu của thế kỷ 21 đã trở thành một trong những ưu tiên hàng đầu trong những định hướng chiến lược nghiên cứu về năng lượng của nhiều quốc gia phát triển trên thế giới mà điển hình là Mỹ, Tây Âu (Đức, Pháp, Nauy, Thụy Điển…), Nhật, Thái lan, Trung Quốc… Có thể điểm qua quá trình nghiên cứu ở một vài nước như sau: Tại Braxin: năm 1931, Braxin đã tiến hành pha chế ethanol với xăng. Tới 1975, khi giá dầu thế giới tăng cao thì đã phát động thành chương trình lớn và Brazil là quốc gia đi đầu trong việc sử dụng ethanol để pha vào xăng với tỷ lệ lên đến 20%, dùng trong vận tải. Ở Brazil khoảng 3/4 số xe bắt buộc phải dùng Gasohol nếu người sử dụng xe không muốn dùng 100% ethanol. Các cánh đồng mía đường tại Brazil hiện là nơi cung cấp nguyên liệu cho 320 nhà máy ethanol (dự kiến có thêm 50 nhà máy nữa trong 5 năm tới). Hiện có khoảng 20 triệu tài xế Brazil vẫn chạy xe dùng xăng pha 25% ethanol nhưng một thế hệ xe mới chạy hoàn toàn bằng ethanol bắt đầu chuẩn bị xuất hiện, giúp giảm 1/2 chi phí nhiên liệu cho giao thông, vận tải tại khắp Brazil. Người ta cũng sắp đầu tư 6 tỉ USD để lập đồn điền mía cũng như nhà máy chưng cồn trong 5 năm tới. Chính vì thế, Brazil được xem là một “Saudi Arabia của ethanol”, góp phần quan trọng đẩy mạnh việc sử dụng nhiên liệu mới biofuel (nhiên liệu sinh học) [4]. Tại Mỹ: Mỹ là quốc gia tiêu thụ 25% năng lượng trên thế giới (trong khi chỉ có 6% trữ lượng dầu mỏ, hơn 60% dầu mỏ phải nhập từ bên ngoài). Để đảm bảo an ninh năng lượng, một mặt phải tranh giành quyền kiểm soát các khu vực dầu mỏ lớn trên thế giới, mặt khác Mỹ phải đầu tư lớn từ ngân sách để nghiên cứu các dạng nhiên liệu thay thế. Từ năm 1976 sau đợt khủng hoảng năng lượng năm 1973, Mỹ bắt đầu thử nghiệm xăng sinh học. Từ 1978, Quốc hội Mỹ đã công nhận những lợi ích của ethanol trong nhiên liệu và dùng biện pháp giảm thuế đối với xăng pha ethanol để khuyến khích phát triển thị trường nhiên liệu này. Năm 1998, Tổng thống Mỹ B.Clinton đã ký sắc lệnh 13101 về sử dụng sản phẩm sinh học thay thế một phần dầu mỏ và Quốc hội Mỹ đã theo đuổi chính sách công khai nhằm tạo lập ngành công nghiệp ethanol ở cấp nhiên liệu và ban hành luật miễn thuế môn bài nhằm khuyến khích sản xuất ethanol từ nguồn tái sinh. Nhờ đó, năm 2004, Mỹ đã sản xuất trên 13 triệu m3 cồn để sản xuất xăng sinh học. Hiện nay, tại Mỹ, luật pháp của nhiều bang bắt buộc phải sử dụng xăng pha cồn (loại E10-tức là 10% cồn) và với 10% cồn được pha vào xăng, mỗi năm Mỹ tiết kiệm rất nhiều ngoại tệ để nhập khẩu dầu. Năm 2005, với việc sử dụng xăng E10, nước Mỹ đã tiết kiệm được 33,5 tỉ thùng dầu thô nhập khẩu, tương đương với việc giảm chi phí nhập khẩu xăng lên tới 100 triệu USD/ngày. Hầu hết ethanol được sản xuất ở Mỹ hiện nay đều đi từ tinh bột ngô. Mà tinh bột và đường chỉ là một phần nhỏ sinh khối có thể dùng để sản xuất ethanol. Hiện nay, Hoa Kỳ đang đẩy mạnh chương trình sản xuất ethanol từ cellulose như phế thải nông nghiệp và lâm nghiệp, các vật liệu từ chất thải rắn đô thị, cây, và cỏ rác. Để trợ giúp giảm chi phí sản xuất nhiên liệu sinh học tiên tiến và sẵn sàng thương mại hoá các công nghệ này, ngân sách 2007 của Mỹ chi cho quỹ nghiên cứu sinh khối của Bộ Năng lượng (Mỹ) tăng thêm 65%, với tổng số kinh phí 150 triệu USD. Mục tiêu của nghiên cứu này là sản xuất ethanol từ cellulose có giá cạnh tranh được với ethanol từ tinh bột vào năm 2012, để tạo khả năng sử dụng nhiều hơn nữa nhiên liệu thay thế này giúp giảm thiểu tiêu dùng dầu mỏ của nước Mỹ trong tương lai [5]. Tại châu Âu: EU khuyến khích pha cồn vào xăng dầu theo tỷ lệ từ 7% đến 10%. Xăng có pha 7% hay 10% cồn tinh khiết (độ cồn 99.5%) được gọi là Gasohol E7 hay E10. Ngành công nghiệp dầu khí chỉ được bán các loại nhiên liệu (xăng hoặc diezen) pha cồn với tỷ lệ tối thiểu 5%. Một vài mẫu xe như Saab 9-5 hay Ford Focus sẽ sử dụng loại xăng E85 (chứa 85% cồn và 15% xăng)… Tại châu Á: Trung Quốc, Thái Lan, Ấn Độ cũng là những nước đẩy mạnh triển khai sử dụng cồn trong chế phẩm xăng nhiên liệu và đạt được hiệu quả kinh tế rõ rệt. Tại Việt Nam: Nước ta tuy đã nghiên cứu được tỷ lệ phối trộn cồn vào xăng, nhưng rồi lại nảy sinh cái khó khi áp dụng vào thực tế. Việt Nam chưa có nhà máy sản xuất cồn khan 99,5%. Theo ước tính của các chuyên gia, trong giai đoạn khởi động để cộng đồng quen dần với việc sử dụng xăng pha cồn, hàng năm Việt Nam cần khoảng 400 ngàn tấn xăng và 40 ngàn tấn cồn (tương đương khoảng 400 triệu lít cồn). Thế nhưng, hiện một trong những nhà máy cồn lớn nhất của ta như nhà máy Lam Sơn, Thanh Hoá cũng chỉ có công suất 25 triệu lít cồn /năm [6]. Hiện nay Việt Nam đang đẩy mạnh sản xuất cồn khan để pha vào xăng, cụ thể: Ngày 09/03/2007 Petrosetco (thuộc PetroVietnam) ký kết thỏa thuận hợp tác thành lập liên doanh xây dựng nhà máy sản xuất ethanol sinh học 99,8% đầu tiên tại Việt Nam với tập đoàn Itochu của Nhật Bản [7]. Không lâu sau lễ ký liên doanh giữa Petrosetco & Itochu, Việt Nam đã có thêm một nhà máy sản xuất ethanol khan nữa. Ngày 12/04/2007 vừa qua, công ty Đồng Xanh hợp tác với UBNN tỉnh Quảng Nam tiến hành khởi công xây dựng nhà máy sản xuất ethanol 99,5% tại Đại Tân, Đại Lộc, Quảng Nam [8]. II. Nghiên cứu khả năng phối trộn ethanol vào condensate Việt Nam. II.1. Giới thiệu chung về condensate Việt Nam. II.1.1. Condensate. Condensate còn gọi là khí ngưng tụ, là dạng trung gian giữa dầu và khí. Trong các mỏ dầu và khí ở điều kiện nhiệt độ thấp và áp suất cao, chúng tồn tại ở trạng thái lỏng. Trong quá trình khai thác, condensate bị lôi cuốn theo khí đồng hành hay khí thiên nhiên, được ngưng tụ và thu hồi sau khi qua các bước xử lý, tách khí bằng các phương pháp làm lạnh ngưng tụ, chưng cất ở nhiệt độ thấp, hấp phụ hay hấp thụ bằng dầu. II.1.2. Thành phần và đặc tính của condensate Việt Nam. Thành phần cơ bản của condensate là các hydrocacbon no có phân tử lượng và tỷ trọng lớn hơn butane như pentane, hexane, heptane… Ngoài ra còn chứa các hydrocacbon mạch vòng, các nhân thơm và một số tạp chất khác như hàm lượng rất nhỏ H2S, mercaptane, … Chất lựợng của nó phụ thuộc vào mỏ khai thác, công nghệ chế biến. Thành phần condensate Việt Nam của nhà máy chế biến khí Dinh cố [9]: Cấu tử %,mol Cấu tử %mol Cấu tử %mol Propane 0,00 n-hexante 20,09 Cyclopentane 1,94 isobutane 0,04 Heptane 10,50 MeC5 2,02 n-butane 0,96 Octane 7,27 Cyclohexane 1,61 isopentane 19,99 Nonane 3,23 MeC6 2,02 n-pentane 26,65 Decane 1,21 Benzen 1,61 Bảng 3.1: Thành phần condensate Việt Nam (Dinh Cố). Một số đặc tính kỹ thuật của condensate Việt Nam [10]: + Áp suất hơi bão hòa (psi): 12 + Tỷ trọng: 0,7352 + Độ nhớt ở 20 0C (cSt): 0,796 + 0API: 12 + Trọng lượng phân tử: 107 + Chỉ số Octane: 65 II.1.3. Tình hình khai thác và trữ lượng condensate Việt Nam. Trữ lượng dầu và khí của Việt Nam được đánh giá có tiềm năng lớn khoảng 0,9 ÷ 1,2 tỷ m3 dầu, 2.100 ÷ 2.800 tỷ m3 khí và 260 triệu m3 condensate. Nằm trong các bể trầm tích: Cửu Long, Nam Côn Sơn, Malay-Thổ Chu, Vùng Tư Chính-Vũng Mây, Sông Hồng, Phú Khánh và ở thềm lục địa Bắc Bộ cũng phát hiện có dầu với trữ lượng lớn…Hiện nay ngành dầu khí nước ta đang khai thác dầu khí chủ yếu tại 7 khu mỏ bao gồm: Bạch Hổ, Rạng Đông, Đại Hùng, Rồng, Hồng Ngọc, Bunga Kekwa-Cái Nước, Lan Tây-Lan Đỏ. Công tác phát triển thăm dò và khai thác đang triển khai tích cực nhằm đảm bảo duy trì và tăng sản lượng dầu khí cho những năm tới. Năm 2004, sản lượng khai thác dầu khí đạt trên 20 triệu tấn dầu thô quy đổi với 17,6 triệu tấn dầu thô và 3,7 tỷ m3 khí thiên nhiên. Dự kiến đến năm 2010, ngành dầu khí nước ta sẽ khai thác từ 30 ÷ 32 triệu tấn quy đổi [11]. Hiện nay, condensate chủ yếu thu nhận từ hai nhà máy xử lý và chế biến khí Dinh Cố (150.000 tấn /năm) và Nam Côn Sơn (90.000 tấn /năm). Mỏ Sư Tử Đen với trữ lượng 420 thùng dầu (tương đương 60 triệu tấn, có kèm theo condensate) đã được đưa vào khai thác. Dự kiến đến năm 2005 sẽ đưa vào khai thác mỏ Rồng Đôi sản lượng condensate đạt 90.000 tấn /năm. Mỏ Sư Tử Trắng vừa có dầu, vừa có condensate và trữ lượng 1÷6 TCF (3 TCF ≈ 100 triệu tấn dầu). Năm 2008, mỏ Hải Thạch 730.000 tấn condensate/năm…Như vậy trong 10 năm tới, với các mỏ hiện có và các mỏ sắp đưa vào khai thác, sản lượng condensate của chúng ta khá phong phú không những đáp ứng được nhu cầu cho các nhà máy chế biến condensate Thị Vải, Cát Lái (350.000 tấn/năm) mà còn làm nguyên liệu cho công nghiệp hóa dầu… II.1.4. Tình hình sử dụng condensate tại Việt Nam hiện nay. Ngoài một lượng nhỏ condensate được sử dụng trong việc sản xuất xăng dung môi dùng trong công nghệ hóa học, condensate được sử dụng chủ yếu cho mục đích sản xuất xăng nhiên liệu như là một cấu tử phối trộn xăng sau khi đã qua quá trình chế biến. Thực chất của quá trình này là xử lý condensate rồi phối trộn với xăng có chỉ số octane cao và các cấu tử ngoại nhập (Reformate, MTBE…). Hiện nay tại nhà máy lọc dầu Cát Lái có một cụm chưng cất condensate với năng suất 350000 tấn/năm nhằm sản xuất MOGAS 83 và các sản phẩm khác. Trước thực trạng giá dầu trên thế giới ngày càng leo thang thì việc phối trộn ethanol vào condensate để được xăng có chỉ số octane cao được xem là lời giải tốt nhất cho bài toán xăng dầu ở nước ta [12]. II.2. Thuận lợi và khó khăn của việc pha ethanol vào condensate. II.2.1. Thuận lợi. Ethanol ngày càng được sử dụng rộng rãi để pha vào xăng vì nó có các ưu điểm sau: Ethanol có chỉ số octane cao (RON ethanol =110÷120). Vì vậy khi pha ethanol vào xăng nó sẽ làm tăng chỉ số octane của hỗn hợp. Ethanol có tỷ trọng gần với tỷ trọng của xăng, dễ hòa trộn vào xăng. Trong phân tử ethanol có chứa oxy thúc đẩy quá trình cháy diễn ra tốt hơn, giảm phát thải đáng kể các chất gây ô nhiễm. II.2.1. Khó khăn. Khi pha ethanol vào xăng gặp những khó khăn chủ yếu như sau: Sự có mặt của oxy trong phân tử ethanol làm giảm nhiệt trị của hỗn hợp khi cháy. Do đó sẽ làm tăng lượng tiêu thụ nhiên liệu. Ethanol tạo với các hydrocacbon nhẹ trong xăng như (pentane, hexane…) hỗn hợp đẳng phí có nhiệt độ sôi thấp hơn nhiệt độ sôi của hỗn hợp ban đầu. Vì vậy khi pha ethanol vào xăng nó sẽ làm tăng áp suất hơi bão hòa của hỗn hợp. Ethanol có tính háo nước. Nó dễ dàng hút nước có trong không khí ẩm làm thay đổi thành phần của nhiên liệu, gây khó khăn cho vấn đề tồn trữ và bảo quản nhiên liệu. Ethanol không tương thích với các vật liệu cao su, dễ làm trương nở các ống dẫn nhiên liệu làm bằng vật liệu này. Tuy nhiên nếu dùng với nồng độ ethanol thấp (<15% thể tích ethanol) thì hoàn toàn không gây tác hại như trên. II.3. Khảo sát ảnh hưởng của ethanol lên các tính chất sử dụng của nhiện liệu khi phối trộn vào condensate . Để phối trộn ethanol cào condensate thành công và tạo ra những mẫu Gasohol có tính năng phù hợp với TCVN về xăng thương phẩm, ta cần phải xét các tính chất sau: Ảnh hưởng của ethanol đến trị số octane của xăng. Ảnh hưởng của ethanol đến áp suất hơi bão hòa. Ảnh hưởng của ethanol đến nồng độ phát thải các chất ô nhiễm. Ảnh hưởng của ethanol đến sự giảm PCI của Gasohol so với xăng. Ảnh hưởng của ethanol đến hiện tượng tách lớp của Gasohol. II.3.1. Ảnh hưởng của ethanol đến trị số octane của xăng. Ethanol tinh khiết có chỉ số octane rất cao (RON=110÷120). Chính vì vậy khi pha ethanol vào xăng gốc chúng đều có tác dụng làm tăng chỉ số octane của xăng gốc. Mức độ làm tăng RON của ethanol phụ thuôc vào RON ban đầu của hỗn hợp. Nếu giá trị RON ban đầu thấp thì khả năng làm tăng RON cao và ngược lại. II.3.2. Ảnh hưởng của ethanol đến áp suất hơi bão hòa của xăng. Áp suất hơi bão hòa của ethanol 99,5% hay ethanol 95% là gần như nhau (2,4 psi) có nghĩa là thấp hơn nhiều so với xăng gốc. Tuy nhiên khi pha trộn ethanol vào xăng, ethanol lại có tác dụng tăng áp suất hơi bão hòa lên rõ rệt. Điều này được giải thích như sau: Khi cho ethanol vào xăng thì ethanol sẽ tạo hỗn hợp đẳng phí với các cấu tử nhẹ có trong xăng như n-pentane, n-hexane... Hỗn hợp đẳng phí này có nhiệt độ sôi thấp hơn nhiều so với hỗn hợp ban đầu do đó sẽ làm tăng áp suất hơi bão hòa của Gasohol [13]. Khả năng làm giảm nhiệt độ sôi của hỗn hợp đẳng phí khi cho ethanol vào phụ thuộc vào thành phần các cấu tử nhẹ có trong xăng. Điều này được thể hiện qua bảng tổng kết sau [13] : Hydrocacbon Nhiệt độ sôi của hh ban đầu (oC) % khối lượng ethanol trong hh đẳng phí Nhiệt độ sôi của hh đẳng phí (oC) n-pentan 36 5 34 n-hexan 69 21 59 Benzen 80 32 68 Cyclohexan 81 29.2 65 Toluen 111 68 77 n-octane 126 88 77 Bảng 3.4: Hỗn hợp đẳng phí của ethanol với các Hydrocacbon nhẹ. Áp suất hơi bão hòa đạt cực đại khi nồng độ ethanol đạt 5% thể tích trong Gasohol sau đó giảm dần khi tăng nồng độ ethanol. Vì vậy khả năng làm tăng áp suất hơi bão hòa khi nồng độ ethanol lớn hơn 10% thể tích là rất thấp. % thể tích ethanol Áp suất hơi bão hòa của hỗn hợp kPa Hình 3.3: Khả năng làm tăng áp suất hơi bão hòa của ethanol, Nguồn : IFP Hình 3.4: Ảnh hưởng của ethanol lên đường cong chưng cất [14]. 50 Nhìn vào hình trên ta thấy khi cho 10% thể tích ethanol vào xăng có RVP=9.0 psi thì ethanol sẽ làm tăng độ bay hơi của hỗn hợp trong khoảng Tsđ÷T50. Khi nhiệt độ lớn hơn T50 thì ethanol hầu như không làm tăng độ bay hơi của hỗn hợp. Số liệu tham khảo khả năng làm tăng áp suất hơi bão hòa của ethanol khi phối trộn vào xăng: Bảng số liệu: Ảnh hưởng của ethanol đến RVP của Gasohol STT Tỷ lệ ethanol (%tt) RVP (bar) Nguồn tham khảo IFP [16] Thực nghiệm 1 0% 0.622 0.309 0.261 0.595 2 2% 0.660 0.385 0.324 0.640 3 5% 0.713 0.404 0.331 0.660 4 10% 0.690 0.405 0.328 0.650 5 15% 0.680 0.396 0.325 0.648 6 20% 0.675 0.395 0.325 0.640 7 30% 0.610 8 50% 0.580 9 60% 0.530 10 100% 0.165 Bảng 3.5: Ảnh hưởng của ethanol đến RVP của Gasohol.Đồ thị: IFP và TTNC: Thực nghiệm: Nhận xét: Khả năng làm thàm thay đổi áp suất hơi bão hòa (RVP) của ethanol khi pha vào xăng phụ thuộc vào bản chất của xăng (phụ thuộc vào thành phần các hydrocacbon nhẹ có khả năng tạo hỗn hợp đẳng phí với ethanol) và phụ thuộc vào nồng độ ethanol pha trộn. Cụ thể: Khi ta pha ethanol vào xăng với nồng độ bé hơn 5% thể tích thì RVP của hỗn hợp tăng rất nhanh và đạt cực đại tại 5% thể tích ethanol pha trộn. Tức là với 5% thể tích ethanol pha vào xăng thì vừa đủ để tạo hỗn hợp đẳng phí với các cấu tử nhẹ có trong xăng. Trong khoảng từ 5 đến 10% thể tích ethanol pha trộn, RVP của hỗn hợp thay đổi rất ít (đồ thị gần như là đường thẳng vuông góc với trục áp suất). Trong khoảng từ 10 đến 20% thể tích ethanol pha trộn, áp suất hơi bão hòa của xăng bắt đầu giảm nhẹ. Trong khoảng từ 20 đến 50% thể tích ethanol pha trộn, RVP của hỗn hợp giảm nhanh. Tại 50% thể tích ethanol pha trộn thì RVP của hỗn hợp thấp hơn RVP của xăng khi chưa pha ethanol. Điều này có nghĩa là khả năng làm tăng RVP do tạo hỗn hợp đẳng phí giữa ethanol với các cấu tử nhẹ có trong xăng thấp hơn sự giảm áp suất do ta pha ethanol-cấu tử có RVP thấp vào xăng. Trong khoảng từ 50 đến 100% thể tích ethanol pha trộn, RVP của hỗn hợp giảm rất nhanh. II.3.3. Ảnh hưởng của ethanol đến sự giảm PCI của Gasohol so với xăng. Các phụ gia có chứa oxy khi pha vào xăng đều làm giảm PCI của xăng. Ethanol cũng tuân theo quy luật này. Ethanol có PCI=26,8 MJ/kg trong khi đó PCI của xăng là 42,5 MJ/kg nên khi pha ethanol vào xăng sẽ làm giảm PCI của hỗn hợp. Ta làm một phép so sánh đơn giản sau đây sẽ thấy rõ được điều này [15]: Như vậy xét về mặt nhiệt lượng khi cháy hoàn toàn thì 1,59 kg ethanol có thể thay thế cho 1kg xăng. Tuy nhiên khi pha ethanol vào xăng do trong phân tử ethanol có chứa oxy nên nó có tác dụng làm cho nhiên liệu cháy hoàn toàn hơn và điều này đồng nghĩa với việc làm tăng PCI của hỗn hợp. Nhưng sự tăng PCI trong trường hợp này không thể bù lại sự giảm PCI như đã trình bày ở trên. Tóm lại, khi pha ethanol vào xăng thì nó sẽ làm giảm PCI của hỗn hợp. Bảng 3.6: So sánh sự giảm PCI của Gasohol so với xăng ở những nồng độ ethanol khác nhau [14]. Hàm lượng O (% klượng) Hàm lượng ethanol (% thể tích) Hàm lượng xăng (% thể tích) Nhiệt trị của Gasohol (BTU/gallon) Độ giảm PCI (%) 0 0 100.0 114 000 - 2.0 5.7 94.3 111 834 1.9 2.7 7.7 92.3 111 074 2.6 Bảng 3.7: So sánh PCI của xăng với một số chất khác: Như vậy có thể thấy PCIethanol nhỏ hơn so với PCI của một vài phụ gia có chứa oxy khác như ETBE, MTBE… Trong trường hợp ta chỉ pha từ 10÷15% ethanol vào xăng nên sự giảm PCI là không đáng kể. Do đó công suất của động cơ có giảm nhưng nằm trong giới hạn cho phép. Bảng 3.8: Tham khảo kết quả đo và so sánh công suất của động cơ khi dùng xăng A92 và Gasohol có RON=92 ở chế độ 50% tải [16]. STT n (v/ph) P(KW) DP(KW) %DP P1 P2 DP21 %DP21 1 1000 7.57 7.50 -0.07 -0.88 2 1200 10.17 9.80 -0.37 -3.61 3 1400 12.53 12.10 -0.43 -3.46 4 1600 14.63 13.90 -0.73 -5.01 5 1800 16.17 15.20 -0.97 -5.98 6 2000 17.70 17.40 -0.30 -1.69 7 2200 19.83 19.10 -0.73 -3.70 8 2400 22.77 21.70 -1.07 -4.69 9 2600 26.17 25.10 -1.07 -4.08 10 2800 29.40 28.60 -0.80 -2.72 11 3000 31.73 30.70 -1.03 -3.26 12 3200 34.00 33.20 -0.80 -2.35 13 3400 36.20 35.50 -0.70 -1.93 14 3600 38.50 38.00 -0.50 -1.30 15 3800 40.83 40.50 -0.33 -0.82 16 4000 42.90 42.70 -0.20 -0.47 17 4200 43.80 43.80 0.00 0.00 18 4400 45.30 44.90 -0.40 -0.88 19 4600 46.43 46.10 -0.33 -0.72 20 4800 46.43 45.80 -0.63 -1.36 21 5000 45.37 44.90 -0.47 -1.03 TRUNG BÌNH (%) -2.38 Với : P1, P2 là công suất của động cơ khi dùng xăng A92 và Gasohol pha ethanol 99,50 có RON=92. DP21 =P2-P1 %DP21 =(DP21/P1)*100%  Vậy khi dùng Gasohol pha ethanol 99,50 có RON=92 thì công suất của động cơ giảm 2.38%. Độ giảm công suất này tương đối bé, có thể chấp nhận được. II.3.4. Ảnh hưởng của ethanol đến sự tách lớp của Gasohol. Khi ta dùng ethanol khan để pha vào xăng thì không xảy ra hiện tượng tách lớp của hỗn hợp Gasohol pha trộn. Tuy nhiên, nếu dùng ethanol công nghiệp để pha vào xăng thì Gasohol sau khi pha trộn sẽ tách lớp (do trong ethanol công nghiệp có chứa một hàm lượng nước) gây khó khăn cho việc tồn chứa và sử dụng. Hơn nữa, khi dùng ethanol công nghiệp để pha trộn thì động cơ dễ bị ăn mòn làm giảm tuổi thọ động cơ. Vì vậy chỉ nên dùng ethanol khan để pha trộn vào xăng. Nếu muốn dùng ethanol công nghiệp để pha trộn Gasohol thì cần phải nghiên cứu phụ gia chống ăn mòn, phụ gia chống tách lớp để bổ xung vào xăng. II.3.5. Ảnh hưởng đến sự phát thải của các chất gây ô nhiễm. Sự có mặt của oxy trong ethanol làm cho nhiên liệu cháy tốt hơn nên giảm phát thải một lượng đáng kể các chất gây ô nhiễm như CO, HC. Theo điều tra của tổ chức Manitoba nếu ta pha 10% ethanol vào xăng sẽ làm giảm 5÷15% phát thải CO. Tuy nhiên, với sự có mặt của oxy trong ethanol cũng đồng nghĩa với việc làm gia tăng hàm lượng oxy trong xăng do đó làm tăng phát thải của aldehyt, NOx nhưng sự hàm lượng của chúng nằm trong giới hạn cho phép. Bảng 3.9: So sánh phát thải các chất gây ô nhiễm của xăng so với E10 [17]. Tên chất ô nhiễm Chênh lệch phát thải (%) HC -4,9 CO -13,4 NOx +1,5 Formaldéhyde +19,3 Acétaldéhyde +159 Tóm lại: Khi pha ethanol vào xăng thì bên cạnh những mặt thuận lợi cũng tồn tại những mặt hạn chế. Tuy nhiên, đứng trước thực trạng trái đất ngày càng bị ô nhiễm nghiêm trọng, dầu mỏ ngày càng cạn kiệt thì việc sử dụng ethanol là rất cần thiết. Sử dụng ethanol không những giúp cho các quốc gia có thể chủ động trong chính sách năng lượng của mình, đảm bảo an ninh năng lựong quốc gia mà còn làm giảm ô nhiễm môi trường, cải thiện bầu khí quyển. Hơn nữa, nguồn nguyên liệu để sản xuất ethanol rất phong phú, giá cả có thể chấp nhận được vì vậy nhiên liệu ethanol ngày càng được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Hình 3.5: Tình hình sản xuất nhiên liệu ethanol, biodiesel trên thế giới : Hình trên cho ta thấy được sự phát triển mạnh mẽ của việc dùng ethanol làm nhiên liệu trong những năm gần đây. Năm 2000 sản lượng ethanol sử dụng làm nhiên liệu trên thế giới chỉ khoảng 15 triệu tấn. Theo dự kiến, đến năm 2010, sản lượng ethanol sử dụng làm nhiên liệu có thể đạt trên 80 triệu tấn tức là tăng đến 433,33% so với năm 2000. II.4. Xây dựng quy trình pha trộn Gasohol. II.4.1. Nguyên tắc pha trộn. Vì chỉ tiêu quan trọng nhất của Gasohol thương phẩm là chỉ số octane nên ta lấy RON làm thước đo phẩm chất Gasohol cần pha trộn. Sau khi đạt các chỉ tiêu về RON ta mới xét tiếp các chỉ tiêu khác như: Áp suất hơi bão hòa Reid, độ acide, độ ăn mòn tấm đồng… II.4.2. Sơ đồ pha trộn. Dựa vào nguyên liệu ban đầu là condensate Bạch Hổ hay condensate Nam Côn Sơn và reformate, tiến hành tính toán và pha trộn các mẫu xăng gốc có RON phù hợp. Từ các xăng gốc đó, pha chế Gasohol có RON là 90, 92 và 95. Phương pháp: Dựa vào công thức tính RON của hỗn hợp: RONHH=∑Vi*RONi. Sau khi tính toán và pha chế các mẫu theo RON tính toán ta tiến hành xác định RON trên động cơ theo tiêu chuẩn ASTM 2699. Những mẫu có RON không phù hợp, ta tiến hành tính toán và pha chế lại. Còn những mẫu đã đạt chỉ tiêu RON ta tiến hành kiểm tra các tính năng sử dụng khác của Gasohol như: áp suất hơi bão hòa Reid, tỷ trọng, thành phần cất, độ acide, độ ăn mòn tấm đồng… Những mẫu không đạt các tiêu chuẩn trên thì loại bỏ. Những mẫu có các tính chất gần đạt các tiêu chuẩn ta tiến hành điều chỉnh tính năng sử dụng để đạt tiêu chuẩn. Như vậy ta đã có được mẫu Gasohol đạt đầy đủ các chỉ tiêu đề ra. III. Tính toán phối trộn. III.1. Mục đích. Dựa vào nguồn nguyên liệu là: ethanol 99,5% kl, condensate, reformate, xăng FCC, C4 ta tiến hành phối trộn để tạo những mẫu Gasohol thỏa mãn theo tiêu chuẩn TCVN 6776:2005. Các chỉ tiêu cần đạt được: Chỉ số octane (RON). Tỷ trọng (d154). Hàm lượng lưu huỳnh (%S). Hàm lượng Aromatic (%Ar). Áp suất hơi bão hòa (TVV). III.2. Nguyên tắc phối trộn. III.2.1. Tính chỉ số octane (RON). Chỉ số octane của hỗn hợp được tính toán dựa vào tính cộng tính theo thể tích của các cấu tử đem phối trộn. RONHH = ∑RONi*Vi Với: RONHH: Chỉ số octane của hỗn hợp (Gasohol). RONi : Chỉ số octane của cấu tử thứ i. Vi : % thể tích của cấu tử thứ i. III.2.2. Tỷ trọng (d154). Tỷ trọng của hỗn hợp được tính toán dựa vào tính cộng tính theo thể tích của các cấu tử đem phối trộn. (d154)HH = ∑(d154)i*Vi Với: (d154)HH : Tỷ trọng của hỗn hợp (Gasohol). (d154)i : Tỷ trọng của cấu tử thứ i. Vi : % thể tích của cấu tử thứ i. III.2.3. Tính % khối lượng lưu huỳnh (%S). Phần trăm khối lượng lưu huỳnh của hỗn hợp được tính toán dựa vào tính cộng tính theo khối lượng của các cấu tử đem phối trộn. %SHH = ∑%Si*mi Với: %SHH: % khối lượng lưu huỳnh của hỗn hợp (Gasohol). %Si : % khối lượng lưu huỳnh của cấu tử thứ i. mi : % khối lượng của cấu tử thứ i. III.2.4. Tính hàm lượng Aromatic (%Ar). Phần trăm thể tích Ar trong hỗn hợp được tính theo công thức: = Với: (%VAr)HH : % thể tích của Ar trong hỗn hợp. (VAr)i: thể tích của Ar có trong cấu tử thứ i. III.2.5. Tính áp suất hơi bão hòa (TVV). Áp suất hơi bão hòa của xăng gốc được tính toán dựa vào tính cộng tính theo phần mol của các cấu tử đem phối trộn. TVVxăng gốc = ∑TVVi*ni Với: TVVxăng gốc : Áp suất hơi bão hòa của xăng gốc (Gasohol). TVVi : Áp suất hơi bão hòa của cấu tử thứ i. ni : phần mol của cấu tử thứ i. Sau khi tính được áp suất hơi bão hòa của xăng gốc, dựa vào đồ thị thực nghiệm (một cách gần đúng) ta tính được áp suất hơi bão hòa của Gasohol. Đồ thị: III.3. Các tính chất về nguồn phối trộn. III.3.1. Condensate. Dựa theo số liệu phân tích mẫu condensate dùng để phối trộn xăng của PDC-Phú Mỹ (Phân tích tại phòng hóa nghiệm của Công Ty TNHH Dịch Vụ Giám Định Á Châu ngày 28-30/04/2007) ta xác định được các tính chất: RON=66,1 %S =0,01 (%kl) D154 = 0,6601 RVP=11,9 psi=0,82 bar => TVV=0,869 bar (tra theo trang162, T2, Pétrole Brut) PM =80,9 g/mol (theo PROII) %tt Ar =1.16%. III.3.2. Ethanol 99,5% khối lượng. Các tính chất: RON = 115 %S = 0 (%kl) D154 = 0,795 (theo PROII) TVV = 2,4psi = 0.165 bar (Thực nghiệm) PM = 45,7 g/mol (theo PROII) %tt Ar = 0 III.3.3. Reformate. Dựa vào các số liệu Reformate của dầu ARABIAN Light, ta xác định các tính chất: RON = 97 %S = 0 (%kl) D154 = 0,7802. TVV = 0,54 bar PM = 96 g/mol %tt Ar = 65%. III.3.4. Xăng FCC. Dựa vào các số liệu xăng FCC của dầu ARABIAN Light, ta xác định các tính chất: RON = 92 %S = 0,218 (%kl) D154 = 0,75 TVV = 0,682 bar PM = 104 g/mol %tt Ar = 18.7% III.3.5. Butane. Dựa vào các số liệu butane của dầu ARABIAN Light, ta xác định các tính chất: RON = 102 %S = 0 (%kl) D154 = 0,5794 TVV = 4 bar PM = 58 g/mol %tt Ar = 0% III.4. Tiến hành phối trộn. Dùng Solver trong phần mềm excel và đồ thị thực nghiệm để tính toán. Kết quả phối trộn với các cấu tử khác nhau: III.4.1. Condensate và ethanol. Bảng 3.12: Kết quả phối trộn condensate và ethanol. Condensate Ethanol A92 Min Max 1000 (t/an) 424.41 575.59 1000.00 1000.00 1000.00 d154 0.6601 0.7950 0.7316 0.7250 0.7800 1000 (m3/an) 642.95 724.01 1366.96 %S 0.010 0.000 0.004 0.050 RON 66.1 115.0 92.0 92.0 TVVxăng gốc (bar) 0.869 0.165 0.869 TVVGasohol (bar) 0.430 0.750 PM (g/mol) 80.9 45.7 %Ar 0.0116 0.0000 0.01 0.4 %Thể tích 48.0% 54.1% % Khối lượng 42.4% 57.6% TVVGasohol = TVVxăng gốc + ΔTVV. Với ΔTVV là độ thay đổi TVV khi pha ethanol vào xăng (theo đồ thị). ΔTVV=(TVVx%Et-TVV0%Et) %tt ethanol = 54,1% => Tra đồ thị thực nghiệm: TVVGasohol = TVVxăng gốc + ΔTVV=0,869+(0,553-0,595)=0,827>0,75 (loại). III.4.2. Condensate, ethanol và reformate. Bảng 3.13: Kết quả phối trộn condensate, reformate và ethanol. Condensate Reformate Ethanol A92 Min Max 1000 (t/an) 255.71 510.61 233.69 1000.00 1000.00 1000.00 d154 0.6601 0.7802 0.7950 0.7486 0.7250 0.7800 1000 (m3/an) 387.38 654.46 293.95 1335.78 %S 0.010 0.000 0.000 0.003 0.050 RON 66.1 97.0 115.0 92.0 92.0 TVVxăng gốc (bar) 0.869 0.540 0.165 0.663 TVVGasohol (bar) 0.708 0.430 0.750 PM (g/mol) 80.9 96.0 45.7 % Ar 0.0116 0.6500 0.0000 0.32 0.40 %Thể tích 28.9% 48.9% 22.0% % Khối lượng 25.6% 51.1% 23.4% %tt ethanol = 22% => Tra đồ thị thực nghiệm: TVVGasohol = TVVxăng gốc + ΔTVV=0,663+(0,64-0,595)=0,708<0,75 (thỏa mãn). III.4.3. Condensate, ethanol và xăng FCC. Bảng 3.14: Kết quả phối trộn condensate, ethanol và xăng FCC. Condensate Ethanol Xăng FCC A92 Min Max 1000 (t/an) 288.39 391.12 320.49 1000.00 1000.00 1000.00 d154 0.6601 0.7950 0.7500 0.7374 0.7250 0.7800 1000 (m3/an) 436.89 491.97 427.32 1356.18 %S 0.010 0.000 0.218 0.073 0.050 RON 66.1 115.0 92.0 92.0 92.0 TVVxăng gốc (bar) 0.869 0.165 0.682 0.782 TVVGasohol (bar) 0.780 0.430 0.750 PM (g/mol) 80.9 45.7 104.0 %V Ar 0.0116 0.0000 0.1870 0.06 0.40 %Thể tích 32.2% 36.3% 31.5% % Khối lượng 28.8% 39.1% 32.0% %S=0,073%>0,05% (loại). III.4.4. Condensate, ethanol, xăng FCC, reformate và butane. Bảng 3.15: Kết quả phối trộn condensate, ethanol, xăng FCC, reformate và butane. Condensate Reformate Ethanol Xăng FCC C4 A92 Min Max 1000 (t/an) 218.20 342.36 220.09 219.35 0.00 1000 1000 1000 d154 0.6601 0.7802 0.795 0.7500 0.5794 0.747 0.725 0.780 1000 (m3/an) 330.56 438.81 276.84 292.47 0.00 1338.68 %S 0.010 0.000 0.000 0.218 0.000 0.050 0.050 RON 66.1 97.0 115.0 92.0 102.0 92.0 92.0 TVVxăng gốc (bar) 0.869 0.540 0.165 0.682 4.000 0.682 TVVGasohol (bar) 0.730 0.430 0.750 PM (g/mol) 80.9 96.0 45.7 104.0 58.0 %V Ar 0.0116 0.65 0.00 0.187 0.00 0.26 0.40 %Thể tích 24.7% 32.8% 20.7% 21.8% 0.0% % Kl 21.8% 34.2% 22.0% 21.9% 0.0% %tt ethanol = 20,7% => Tra đồ thị thực nghiệm: TVVGasohol = TVVxăng gốc + ΔTVV=0,682-(0,643-0,595)=0,73<0,75 (thỏa mãn). Nhận xét: Không thể chỉ dùng ethanol và condensate để phối trộn Gasohol vì không đảm bảo tiêu chuẩn về áp suất hơi bão hòa. Với các số liệu như trên ta không thể phối trộn Gasohol từ ethanol, condensate và xăng của quá trình FCC vì hàm lượng lưu huỳnh trong xăng FCC còn khá cao nên không đảm bảo tiêu chuẩn về hàm lượng lưu huỳnh. Vì vậy ta phải khử lưu huỳnh cho xăng FCC nếu muốn dùng chúng để phối trộn Gasohol. Tất cả các trường hợp còn lại đều đảm bảo các chỉ tiêu đề ra. Tuy nhiên, ta không nên dùng xăng của quá trình FCC để phối trộn Gasohol vì chỉ số octane của xăng FCC =92 tức là tương đương với chỉ số octane của Gasohol đã phối trộn nên không kinh tế khi dùng xăng của quá trình FCC để phối trộn Gasohol. Vì condensate có áp suất hơi bão hòa rất cao (0,869 bar) nên không cần pha thêm butane. Vậy ta chỉ dùng Condensate, ethanol, reformate để phối trộn Gasohol. Trong trường hợp cần thiết, ta bổ xung thêm butane để đảm bảo các tiêu chuẩn đề ra. Để không thay đổi động cơ khi dùng Gasohol, ta khống chế hàm lượng của ethanol nhỏ hơn hoặc bằng 15% thể tích. Kết quả phối trộn thể hiện ở bảng sau: Bảng 3.16: Kết quả phối trộn condensate, ethanol và reformate. Condensate Reformate Ethanol A92 Min Max 1000 (t/an) 218.60 622.93 158.47 1000.00 1000.00 1000.00 d154 0.6601 0.7802 0.7950 0.7525 0.7250 0.7800 1000 (m3/an) 331.15 798.43 199.34 1328.92 %S 0.010 0.000 0.000 0.002 0.050 RON 66.1 97.0 115.0 92.0 92.0 TVVxăng gốc (bar) 0.869 0.540 0.152 0.637 TVVGasohol (bar) 0.694 0.430 0.750 PM (g/mol) 80.9 96.0 45.7 %V Ar 0.0116 0.65 0.00 0.39 0.40 %Thể tích 24.9% 60.1% 15.0% % Khối lượng 21.9% 62.3% 15.8% %tt ethanol = 20,7% => Tra đồ thị thực nghiệm: TVVGasohol = TVVxăng gốc + ΔTVV=0,637-(0,652-0,595)=0,694<0,75 (thỏa mãn). Kết luận: Với ethanol 99,5%, reformate, condensate như trên, ta có thể phối liệu được gasohol phù hợp với tiêu chuẩn TCVN 6776:2005. Các số liệu ở trên chỉ mang tính chất nghiên cứu nhưng khá chính xác. Để có thể áp dụng vào thực tế cần phải tiến hành khảo xác lại bằng thực nghiệm, tiến hành thử trực tiếp trên động cơ (khả năng tương thích với các vật liệu bằng cao su, công suất, độ bền của động cơ…). Đặc biệt nhà nước cần phải có chính sách hỗ trợ thích đáng và nhanh chóng xây dựng tiêu chuẩn về xăng pha cồn để sớm đưa loại nhiên liệu mới mẻ này đi vào cuộc sống. TÀI LIỆU THAM KHẢO. [1] TCVN 6776:2005. [2] Ô tô và ô nhiễm môi trường – Bùi Văn Ga, Văn Thị Bông, Phạm Xuân Mai, Trần Văn Nam, Trần Thanh Hải Tùng. [3] Quá trình cháy trong động cơ đốt trong – Bùi Văn Ga. [4] Nhiên liệu ethanol dưới các góc nhìn khác nhau, www.moi.gov.vn. [5] Dự báo về phát triển và sử dụng nhiên liệu sinh học (Ethanol & Biodiesel) của Mỹ, www.most.gov.vn. [6] Nhiên liệu sinh học có thay xăng dầu? Vietnamnet.com.vn. [7] Petrosetco-khẳng định tầm nhìn khi hợp tác sản xuất ethanol sinh học, báo thanh niên (Số 71, ngày 12/03/2007). [8] Lễ khởi công xây dựng nhà máy cồn Đại Tân, tuoitre.com.vn. [9] Bạch Hổ condensate propreties, Tổng cục dầu khí Việt Nam, 2001. [10] Trương Đình Hợi, Chất lượng và khả năng sử dụng condensate Bạch Hổ, Tạp chí dầu khí số 4, 1996. [11] Lịch sử phát triển dầu khí Việt Nam, Báo công nghiệp Việt Nam. [12] Nhà Máy lọc dầu Cát Lái kêu cứu, VnExpress.net [13] Les Biocarburants Etat lieux perspectives enjeux du développement Ballerini Daniel Alazard Touy Nathanlie. [14] Utilisation dans les véhicules à essence de mélanges éthanolessence contenant plus de 10 p. 100 en volume d’éthanol Dr Chandra Prakash Consultant en matière d’émissions de véhicules automobiles et de carburants. [15] ADEME/DIRME Rapport technique: Bilans énergétiques et gaz à effet de serre des filières de production de biocarburants. [16] Tài liệu của trung tâm nghiên cứu và phát triển dầu khí. [17] Carburants oxygénés, X.Montagne, École Nationale Supé rieure Du Pétrole Ethanol De Moteurs. [18] Le Raffinage Du Pétrole, Tập 3. [20] Tài liệu hướng dẫn đồ án công nghệ II. KẾT LUẬN. Sau hơn hơn 15 tuần nổ lực làm việc, đề tài “nghiên cứu tổng quan khả năng sản xuất và sử dụng ethanol làm nhiên liệu cho động cơ” đã được hoàn thành. Đồ án đã giải quyết được các vấn đề sau: Tìm hiểu được các phương pháp sản xuất ethanol từ các nguồn nguyên liệu sẵn có ở Việt Nam đặc biệt là phương pháp sản xuất ethanol từ nguồn nguyên liệu chứa cellulose. Đây là phương pháp sản xuất mới, rất có triển vọng nếu được nghiên cứu đánh giá kỹ lưỡng. Tìm hiểu được các phương pháp tách nước tạo cồn khan, ưu nhược điểm của từng phương pháp. Nghiên cứu ảnh hưởng đến các tính năng sử dụng của xăng khi pha ethanol. Tính toán phối trộn được xăng pha ethanol có chỉ số octane bằng 92 từ các nguồn condensate của nhà máy xử lý condensate Phú Mỹ, ethanol 99,5%, xăng của quá trình FCC, reformate. Do những hạn chế về kiến thức và thời gian hạn hẹp nên đồ án chưa thể tiến hành thực nghiệm để xác định chính xác ảnh hưởng của ethanol đến các tính chất sử dụng của xăng đặc biệt là chỉ số octane. Tuy nhiên qua nghiên cứu ban đầu cho thấy khả năng pha ethanol vào condensate Việt Nam cùng với các nguyên liệu ngoại nhập có chỉ số octane cao như reformate là hoàn toàn có khả năng thực hiện được. Vì vậy đề tài này rất có tính khả thi nếu được nghiên cứu tiếp.