Công nghệ sản xuất nhiên liệu diesel sinh học (biodiesel)

CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU DIESEL SINH HỌC (BIODIESEL) TS. Nguyễn Hữu Lương TT Nghiên cứu Công nghệ Lọc Hóa dầu MỤC LỤC 1. GIỚI THIỆU 2. NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BIODIESEL 3. CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP BIODIESEL 4. CÁC QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIODIESEL 5. SẢN XUẤT BIODIESEL TRÊN THẾ GIỚI 6. SẢN XUẤT BIODIESEL Ở VIỆT NAM 7. KẾT LUẬN 1. GIỚI THIỆU  Biodiesel là monoalkyl ester của acid béo mạch dài có nguồn gốc từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật, được sử dụng cho động cơ diesel.  Việc sử dụng biodiesel góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia. naêm Tyû thuøng/naêm Daâuø thoâ ñaõ khai thaùc Nguoàn daàu thoâ döï kieán Toång caùc saûn phaåm daàu moû BIEÅU ÑOÀ DÖÏ KIEÁN NGUOÀN DAÀU THOÂ VAØ SAÛN PHAÅM DAÀU MOÛ TREÂN THEÁ GIÔÙI. Nguoàn daàu moû seõ caïn kieät OÂ nhieãm moâi tröôøngCO NO NO2 HC PM SO 2 2. NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BIODIESEL  Nguồn nguyên liệu để sản xuất biodiesel chủ yếu đi từ dầu mỡ động thực vật mới hoặc đã qua sử dụng.  Hiện nay việc tranh cãi về cân bằng giữa an ninh lương thực và an ninh năng lượng đã dẫn đến việc sử dụng các nguồn dầu thực vật không dùng trong thực phẩm cũng như các nguồn dầu mỡ phế thải làm nguyên liệu để sản xuất biodiesel.  Biodiesel thế hệ thứ nhất: dựa trên phản ứng chuyển methyl ester hóa các triglyceride từ các nguồn dầu thực vật.  Biodiesel thế hệ thứ hai: dựa trên phản ứng Fischer-Tropsch với nguyên liệu là các nguồn biomass phế thải.  Biodiesel thế hệ thứ ba: dựa trên các nguồn tảo với hiệu suất cung cấp dầu cực cao. 3. CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP BIODIESEL Dùng phản chuyển methyl ester hóa để chuyển hóa các trigliceride trong dầu mỡ thành các monomethyl ester (biodiesel). O O || || CH2 - O - C - R1 CH3 - O - C - R1 | | O O CH2 - OH | || || | CH - O - C - R2 + 3 CH3OH => CH3 - O - C - R2 + CH - OH | (KOH) | | O O CH2 - OH | || || CH2 - O - C - R3 CH3 - O - C - R3 Triglyceride methanol biodiesel glycerin Các lọai xúc tác sử dụng trong quá trình tổng hợp biodiesel:  Dùng xúc tác kiềm: NaOH, KOH, K2CO3,…  Dùng xúc tác acid: H2SO4,…  Không dùng xúc tác.  Hóa siêu âm hoặc kết hợp vi sóng.  Dùng xúc tác enzyme.  Dùng xúc tác baz không ion.  Dùng xúc tác rắn: zeolite, ZnO,… Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng:  Thành phần và tính chất nguyên liệu.  Nhiệt độ phản ứng.  Thời gian phản ứng.  Tỷ lệ methanol/dầu.  Lọai xúc tác.  Tỷ lệ xúc tác/dầu.  Tốc độ khuấy trộn. 4. CÁC QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIODIESEL Hình 1. Quy trình sản xuất biodiesel gián đọan. Hình 2. Quy trình sản xuất biodiesel liên tục với xúc tác lỏng. Hình 3. Quy trình sản xuất biodiesel liên tục với xúc tác rắn. Ester TG Alcohol TG Alcohol Catalyst Ester Biodiesel Mixer Glycerol Decanter CSTR 1 CSTR 2 Glycerol Alcohol Alcohol Water Water Dryer Wash Water Acid Crude Glycerol Hình 4. Quy trình sản xuất biodiesel kết hợp gián đọan và liên tục. Hiện nay, quy trình sản xuất biodiesel liên tục thường được lựa chọn với các ưu điểm về công suất, tiết kiệm diện tích mặt bằng sản xuất cũng như thuận tiện trong việc kiểm sóat chất lượng sản phẩm. Bên cạnh đó, việc sử dụng phương pháp hóa siêu âm hoặc xúc tác rắn cũng tạo điều kiện thuận lợi trong việc phân tách sản phẩm và khiến quá trình trở nên “xanh” hơn. 5. SẢN XUẤT BIODIESEL TRÊN THẾ GIỚI  2000-2005: tổng sản lượng biodiesel tăng 32%.  2007: tổng sản lượng gấp 3 lần năm 2006.  2008: tổng sản lượng biodiesel tăng 115%.  Châu Âu: đứng đầu thế giới về sản xuất và tiêu thụ biodiesel (185 + 58 nhà máy).  2012: Mỹ trở thành thị trường tiêu thụ biodiesel đứng đầu thế giới.  Hoa Kỳ:  2004: sản xuất 25.000.000 gallons.  2005: sản xuất 75.000.000 gallons (53 nhà máy).  1/4/2008: nhà máy sản xuất biodiesel từ tảo đầu tiên trên thế giới hoạt động, 4.400.000 gallons/năm.  Hiện nay: 329.000.000 gallons/năm (~100 nhà máy).  Argentina:  2008: tăng sản lượng gấp 3 lần và là nước sản xuất biodiesel đứng thứ ba thế giới. Số nhà máy biodiesel tăng 150% so với năm 2007.  2009: dự kiến tăng gấp đôi số nhà máy biodiesel so với năm 2008 (~ 70 nhà máy).  2010: bắt buộc sử dụng B5 toàn quốc.  Italia:  2008: sản xuất 600.000 tấn/năm, tổng sản lượng biodiesel tăng 28%, tổng công suất các nhà máy biodiesel tăng 42%.  2009: dự kiến tăng sản lượng lên 8.000.000 tấn/năm.  Malaysia:  2007: nhà máy đầu tiên sản xuất 110.000 tấn biodiesel/năm từ dầu cọ.  Ấn Độ:  2004: chạy thử nghiệm xe bus với B5.  2007: xây dựng nhà máy công suất 100.000 tấn biodiesel/năm.  Trung Quốc:  2006: sản xuất 4.800 tấn biodiesel/năm.  2007: sản xuất 10.000 tấn biodiesel/năm. 6. SẢN XUẤT BIODIESEL Ở VIỆT NAM  Việc điều chế và thử nghiệm nhiên liệu biodiesel từ dầu thực vật bắt đầu được quan tâm từ những năm 1980.  Trong khỏang 5 năm gần đây, các nghiên cứu về điều chế nhiên liệu biodiesel từ dầu thực vật đã được thực hiện ở Hà Nội và TPHCM.  Một số sản xuất thử nghiệm mang tính tự phát được thực hiện ở một số nơi với nguồn nguyên liệu mỡ cá basa. Từ năm 2001, nhóm nghiên cứu thuộc Bộ môn Công nghệ Chế biến Dầu khí và Trung tâm Nghiên cứu Lọc – Hóa dầu (Trường Đại học Bách Khoa TPHCM) đã bắt đầu nghiên cứu khả năng sản suất biodiesel từ các nguồn dầu thực vật. Tháng 10 năm 2006, nhóm nghiên cứu đã triển khai dự án sản xuất thử nghiệm “Thiết kế và xây dựng hệ thống sản xuất nhiên liệu biodiesel từ dầu mỡ thực, động vật phế thải năng suất 2 tấn/mẻ” do TS. Nguyễn Hữu Lương làm chủ nhiệm dự án, cơ quan chủ trì là Sở Khoa học Công nghệ TPHCM. Sau các đợt sản xuất thử nghiệm trong năm 2007, hiện nay, nhóm nghiên cứu đã hoàn thiện các thông số công nghệ và xây dựng hòan chỉnh quy trình công nghệ sản xuất nhiên liệu biodiesel từ dầu mỡ thực, động vật phế thải. Quy trình có ưu điểm là có thể áp dụng cho các nguồn nguyên liệu dầu thải với chỉ số acid thay đổi trong một khỏang rộng và có thể nâng công suất lên gấp 3 - 5 lần với chi phí đầu tư thêm tối thiểu. Sản phẩm biodiesel từ quy trình này đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng ASTM D6751. NaOH hòa tan trong MeOH MeOH NaOH Hỗn hợp phản ứng Dầu thải đã xử lý sơ bộ Glycerin MeOH Methyl esters Methyl esters sau khi rửa H2O Nước thải Methyl esters sau khi sấy Biodiesel B20Diesel Glycerin MeOH Dầu thải Dầu thải sau lọc Lọc để lọai cặn Sấy để lọai nước Sản xuất thử nghiệm tại PTN Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Lọc Hóa Dầu Pilot sản xuất thử nghiệm biodiesel từ dầu ăn phế thải năng suất 2 tấn/ngày 7. KẾT LUẬN  Trong tương lai, khi nguồn nhiên liệu hóa thạch hòan tòan cạn kiệt, xu hướng sử dụng biodiesel và các nguồn nhiên liệu phi hóa thạch khác sẽ là tất yếu.  Hiện nay, biodiesel được sản xuất chủ yếu bằng phương pháp biến tính hóa học dựa trên phản ứng chuyển methyl ester hóa.  Nguyên liệu không cạnh tranh với thực phẩm và “xanh” hóa quá trình sản xuất biodiesel.  Để nâng cao tính hiệu quả và kinh tế của quá trình, các yếu tố sau cũng cần được quan tâm: tận dụng các sản phẩm phụ của quá trình như glycerin; cải thiện các chỉ tiêu chất lượng của methyl ester,…  Hệ thống sản xuất thử nghiệm biodiesel công suất 2 tấn/mẻ cho thấy tính khả thi của việc triển khai sản xuất biodiesel trên cơ sở các thiết bị công nghệ chế tạo trong nước.