Nhiên liệu và dầu mỏ - Nhiên liệu sinh học

Chương 3. NHIÊN LIỆU SINH HỌC 3.1. NGUỒN GỐC, PHÂN LOẠI VÀ VAI TRÒ CỦA NHIÊN LIỆU SINH HỌC 3.1.1. Nguồn gốc và phân loại nhiên liệu sinh học Theo dự tính lượng dầu mỏ sẽ cạn kiệt trong vòng 50 năm nữa, đồng thời nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng. Giá dầu mỏ thường xuyên biến động và xu hướng chung là tăng nhanh là nguyên nhân làm giá cả trên thị trường. Việc tìm ra nhiên liệu mới thay thế dầu mỏ và ứng dụng nó đã trở thành mục tiêu của nhiều nghiên cứu. Nhiên liệu có nguồn gốc sinh học (các sản phẩm của nông nghiệp) là một giải pháp tốt nhất khi nó không chỉ giải quyết vấn đề năng lượng mà còn giải quyết vấn đề môi trường. Những nhiên liệu có nguồn gốc sinh học bao gồm: cồn (ethanol, methanol), biodiesel, biogas,… 3.1.2. Vai trò và xu thế phát triển của nhiên liệu sinh học Những ưu điểm của nhiên liệu sinh học: • Là nhiên liệu có thể tái sinh. • Thay thế được cho diesel, xăng. • Có thể sử dụng cho tất cả các phương tiện vận tải. • Giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính. • Giảm chất thải của ống bô, bao gồm các khí độc. • Không độc, dễ bị phân hủy sinh học, thân thiện với môi trường. • Sản xuất từ các sản phẩm nông nghiệp, hoặc từ các nguồn năng lượng tái sinh. • Dễ sử dụng nếu nắm được các qui định. Vì vậy mà việc sản xuất, ứng dụng nhiên liệu sinh học làm nhiên liệu thay thế cho các nhiên liệu truyền thống là vấn đề vô cùng quan trọng, là mục tiêu mà rất nhiều quốc gia đặt ra. Nhằm tránh tác động xấu của biến động giá dầu, Chính phủ Thái Lan lên kế hoạch phát triển nguồn năng lượng thay thế, trong đó có việc sử dụng nhiên liệu sinh học song song với các loại nhiên liệu hiện nay. Kế hoạch này tập trung việc phát triển nhiên liệu sinh học từ các loài thực vật, trong đó có quả của cây cọ dầu, theo đó sẽ dành khoảng 725 triệu USD xây dựng khoảng 85 nhà máy sản xuất dầu diesel sinh học vào năm 2012. Trước mắt, Cục Phát triển năng lượng thay thế Thái Lan vừa ký thỏa thuận với Ngân hàng Quân đội Thái Lan (TMB) tiến hành nghiên cứu khả thi việc đầu tư khoảng 7,5 triệu USD xây dựng nhà máy sản xuất dầu diesel sinh học tại tỉnh Krabi, miền Nam Thái Lan. Sau hơn 2 năm nghiên cứu thử nghiệm, Công ty Agifish An Giang đã sản xuất thành công dầu diesel sinh học (Biodiesel) từ mỡ cá tra cá basa, với những tính năng vượt trội so với dầu diesel sản xuất từ dầu mỏ, ít khí thải, không độc hại. Loại dầu này đã được Trung tâm 3 thuộc Tổng cục Tiêu chuẩn đo lường chất lượng kiểm nghiệm đạt tất cả các chỉ tiêu dầu dùng cho động cơ diesel, đem lại hiệu quả kinh tế cao cho người sử dụng. Thành công này sẽ góp phần tăng giá trị cá tra cá basa vùng Đồng bằng sông Cửu Long. Những năm gần đây, sản lượng cá tra cá basa làm nguyên liệu chế biến thực phẩm xuất khẩu của Đồng bằng sông Cửu Long mỗi năm trên 250.000 tấn, trong đó lượng mỡ cá 30.000 tấn. Hầu hết mỡ cá vẫn được cho các công ty chế biến thức ăn gia súc với giá rất thấp. Với ý tưởng đưa mỡ cá vào làm nguồn nhiên liệu thay thế một phần nhiên liệu từ dầu mỏ, tháng 1/2004, Công ty Agifish bắt đầu nghiên cứu sản xuất dầu biodiesel từ mỡ cá tra, cá basa, đến tháng 12/2005 thì công trình hoàn tất. Từ tháng 1/2006 đến nay sản phẩm đã được nhiều cơ sở chạy máy dầu sử dụng. Các nhà máy sản xuất gạch ống ở Long Xuyên và huyện Châu Thành cho biết sử dụng dầu biodiesel ngoài giảm thiểu ô nhiễm môi trường, bảo vệ được sức khỏe, còn tiết kiệm gần 50.000 đồng/1.000 viên gạch so với sử dụng dầu thông thường. 3.2. Cồn Ethanol 3.2.1. Sản xuất ethanol Ethanol là nhiên liệu dạng cồn, được sản xuất bằng phương pháp lên men và chưng cất các loại ngũ cốc chứa tinh bột có thể chuyển hóa thành đường đơn như ngô, lúa mạch, lúa mì, củ cải đường, củ sắn... Ethanol còn được sản xuất từ các loại cây cỏ có chứa cellulose. Nhiên liệu này có thể làm giảm lượng khí phát thải của xăng và là chất phụ gia để tăng trị số ốc-tan, loại trị số đo khả năng kích nổ. Các quốc gia phát triển hay đang phát triển đều có thể sản xuất được ethanol do công nghệ điều chế không đòi hỏi ở mức cao siêu. Ethanol là ethyl alcohol, được chế tạo từ phương pháp tổng hợp hay lên men các chất hữu cơ như: nước ép trái cây, rỉ đường, bã mía, tinh bột sắn, tinh bột ngô, … Ethanol có thể được sản xuất dưới hai dạng hydrous (có nước) hoặc anhydrous (tinh chất không có nước). Ethanol sản xuất trong công nghiệp thường là anhydrous, chứa 93% đến 96% ethanol và 4% đến 7% nước (theo thành phần thể tích). Ethanol (hoặc ethyl alcohol) có công thức hoá học là CH3 CH2OH. Theo các nhà khoa học, về mặt nhiệt lượng thì 1,5 lít ethanol có thể thay cho 1 lít xăng. Nếu pha ethanol vào xăng, tùy theo độ tinh khiết của chúng có thể giảm lượng xăng khoảng 10 - 15% mà công suất, hiệu suất và độ mài mòn động cơ hầu như không đổi. Do có nguồn gốc từ cây trồng nên ethanol mang lại rất nhiều lợi ích: an toàn năng lượng, giá nhiên liệu thấp, giảm khí CO2, tái sinh nền nông nghiệp, tạo thêm nhiều việc làm cho nông dân và bảo vệ lớp đất bề mặt. Việc sản xuất ethanol từ nguyên liệu sinh khối như: rơm, cành cây nhỏ, củi tre... đang có dấu hiệu rất khả quan, báo hiệu thời điểm đẩy mạnh việc sản xuất và sử dụng nguồn nhiên liệu vô tận đang đến. Từ kinh nghiệm của Bra-xin, gần đây, các quốc gia phát triển như Mỹ, Đức, Nhật Bản... cũng đặc biệt quan tâm đến ethanol và các loại nhiên liệu sinh học khác. Mới đây, một ủy ban của Thượng viện Mỹ đã nhất trí thông qua nghị quyết đòi hỏi các nhà máy lọc dầu nước này phải tăng lên hơn gấp 2 lần việc sử dụng ethanol và các loại nhiên liệu có thể tái tạo được trước năm 2012. Điều này có thể hạn chế việc nhập tới 2 tỷ thùng dầu thô trong khoảng từ năm 2006 đến 2012... Tất nhiên, trong cuộc chạy đua này, các hãng sản xuất ô tô hàng đầu như Ford, Mercedes, General Motor, Daimler Chrysler, Toyota, Nissan... cũng đã có kế hoạch dài hơi để sản xuất những chiếc xe dùng nhiên liệu ethanol. Về nguồn nguyên liệu sản xuất ethanol, nước ta không gặp bất lợi khi có vùng trồng mía, lương thực và các cây lấy dầu khá lớn. Hiện các nhà máy đường trong nước đều có phân xưởng sản xuất ethanol và CO2 từ rỉ đường. Vấn đề lúc này là làm sao nâng cao độ tinh khiết trước khi có thể dùng chúng làm nhiên liệu. Mới đây, nhóm nghiên cứu của PGS Trần Khắc Chương, ĐH Bách khoa TP Hồ Chí Minh đã công bố nghiên cứu thành công quy trình công nghệ có thể sản xuất ra loại hóa chất phục vụ điều chế xăng sinh học từ những nguồn nguyên liệu trong nước. Để sản xuất được xăng sinh học đủ tiêu chuẩn thì nhất thiết phải có loại cồn 100% (cồn tuyệt đối), tức ethanol. Hiện tại, nhóm đã hoàn chỉnh quy trình công nghệ và thiết kế, chế tạo mô hình thử nghiệm sản xuất cồn tuyệt đối đạt công suất khoảng 100 kg/ngày và sử dụng loại hóa chất do chính nhóm chế tạo. Ông Chương cho biết, một khi đã giải quyết được vấn đề sản xuất cồn tinh khiết 100% bằng công nghệ trong nước với quy mô công nghiệp thì việc điều chế ra xăng sinh học là việc nằm trong tầm tay của giới khoa học. Với một nước phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn xăng dầu nhập khẩu như Việt Nam hiện nay, việc nghiên cứu nhằm sử dụng và sản xuất ethanol là việc làm rất đáng lưu tâm. 3.2.2. Tính chất của cồn ethanol Cồn ethanol là có độ octane cao, loại bỏ hoàn toàn các phụ gia có chứa chì trong xăng, nhiệt lượng xấp xỉ với xăng dầu nhưng cũng có nhược điểm là phát thải nhiều khí NOx và tác dụng ăn mòn kim loại, ăn mòn các loại nhựa lớn hơn xăng thông thường. Về mặt kỹ thuật, tăng thêm 10% Ethanol vào xăng có nghĩa chỉ số octane tăng thêm 3 điểm, hiệu suất nhiên liệu tăng và khi hàm lượng oxygen tăng trong Ethanol đảm bảo xăng được đốt sạch hơn, giảm khí thải CO, CO2 qua ống bô, góp phần bảo vệ môi trường không khí trong sạch. Về mặt kinh tế, ngoài việc không phải chi một lượng lớn ngoại tệ để nhập khẩu xăng dầu, còn giúp giảm giá xăng xuống một ít, giá trị hoá được những phế thải nông nghiệp, phát triển công nghiệp sản xuất cồn tạo thêm công ăn việc làm cho xã hội và tăng thu nhập cho nông dân. Cồn ethanol có nhiệt trị nhỏ hơn xăng khoảng 25,898 MJ/kg, và gây ăn mòn các chi tiết trong động cơ. 3.2.3. Ứng dụng của cồn 1) Phạm vi ứng dụng Sản lượng cồn dùng làm nhiên liệu trên thế giới ngày càng tăng dần: năm 1980 chỉ đạt 10 triệu tấn, nhưng đến năm 2001 đã đạt 26 triệu tấn, năm 2002 đạt 34 triệu tấn, năm 2003 đạt đến 40 triệu tấn Brazil là nước đi đầu với chương trình quốc gia mang tên “PROANCOL” vào năm 1975, sử dụng cồn ethanol được sản xuất từ bã mía pha vào xăng với tỷ lệ đến 20% để dùng trong vận tải. Brazil có 20 triệu ô tô dùng động cơ cồn ethanol và 17 triệu xe khác sử dụng nhiên liệu hỗn hợp ethanol với xăng, dầu Diesel. Từ năm 1975 đến 2002 lượng cồn được sử dụng làm nhiên liệu ở Brazil đã thay thế cho khoảng 210 tỷ lít xăng dầu, tiết kiệm cho quốc gia này trên 52 tỷ USD. Brazil đã trở thành nước sản xuất, tiêu thụ và xuất khẩu ethanol số một trên thế giới. Với hơn 60.000 đồn điền trồng mía, 300 nhà máy sản xuất ethanol, Brazil đã sản xuất được 13 tỷ lít ethanol mỗi năm (tương đương 200.000 thùng dầu mỗi ngày) trong số đó xuất khẩu hơn 0,5 tỷ lít ethanol mỗi năm. Chính phủ cũng đã có chính sách khuyến khích người tiêu dùng mua xe chạy bằng các loại nhiên liệu này. Với một quá trình đầu tư phát triển lâu dài trong ngành công nghiệp mía đường từ lai tạo giống mới để cho năng suất cao, mở rộng diện tích trồng mía (đạt 65 triệu hecta), đến cải tiến công nghệ sản xuất Brazil đã sản xuất ethanol với giá thành 0,23USD/lít (khoảng 3.630 đồng VN). Đó là một thành công rất lớn trong việc tạo ra một nguồn nhiên liệu thay thế sạch, không ô nhiễm môi trường mà còn mở ra khả năng tiêu thụ nông sản cho người nông dân, góp phần tích cực giải quyết nhiều vấn đề kinh tế xã hội khác. Mỹ bắt đầu thử nghiệm ethanol dùng làm nhiên liệu thay thế từ năm 1976, sau đợt khủng hoảng năng lượng năm 1973. Kể từ năm 1980 quốc hội Mỹ đã công nhận lợi ích của ethanol trong việc dùng làm nhiên liệu, cho phép pha trộn cồn vào xăng dầu với tỷ lệ 10% và giảm thuế để khuyến khích sử dụng nhiên liệu này. Các bang Carlifornia, NewYork, Connecticut là những nơi sử dụng rộng rãi nhất xăng pha cồn. Mô hình sử dụng ethanol cho các phương tiện vận tải của Brazil đã được nhiều nơi học tập như Mêhico, Vênezuêla, Costarica, Ecuador, … Australia đã tiến hành thử nghiệm nhiên liệu diesohol gồm 84,5% Diesel, 15% ethanol (nồng độ 95%) và 0,5% chất phụ gia để làm nhiên liệu trên các phương tiện giao thông công cộng như xe buýt ở các thành phố lớn Sydney, Canberra, Scott, Joseph, với mục đích giảm hiệu ứng nhà kính và ô nhiễm do giao thông đô thị từ năm 1993. Nhiều nước ở châu Á như Trung Quốc, Ấn Độ, Thái Lan cũng đã đề ra các chính sách cụ thể để sử dụng nhiên liệu sinh học. Nhật bản và nhiều quốc gia khác cũng đã có kế hoạch sử dụng ethanol trong thời gian sắp tới. 2) Chỉ tiêu chất lượng. Bảng 3.1. Đặc tính cồn ethanol 95% Các chỉ tiêu / Loại nhiên liệu Cồn ethanol 95% Thành phần khối lượng , kg/kg 0,496C; 0,124H2; 0,33O2; 0,05H2O Thành phần khối lượng, kg/lít 0,397C; 0,099H2; 0,264O2; 0,04H2O Khối lượng riêng ở 150C (kg/dm3) 0,80 Nhiệt ẩm (kJ/kg ở 250C) 840 Nhiệt trị thấp Qt (MJ/kg) 25,898* Nhiệt trị hoà khí (MJ/mtQ′ 3 TC) 3,736* Lượng không khí cần thiết để đốt cháy 1kg nhiên liệu: -theo khối lượng, (kg/kg) -theo thể tích, (m3/kg) 8,4 6,5 Trị số octan (RON) 106 Trị số CETAN 5 Độ nhớt động học (m2s-1.106)* 1,4 Sức căng bề mặt (Nm-1.103) 22 3.3. BIODIESEL 3.2.1. Sản xuất BIODIESEL Biodiesel là methyl este của những axít béo. Để sản xuất Biodiesel người ta pha khoảng 10% mêtanol vào dầu thực vật và dùng nhiều chất xúc tác khác nhau (đặc biệt là hiđrôxít kali, hiđrôxít natri và các ancolat). Ở áp suất thông thường và nhiệt độ vào khoảng 60°C liên kết este của glyxêrin trong dầu thực vật bị phá hủy và các axít béo sẽ được este hóa với mêtanol. Chất glyxêrin hình thành phải được tách ra khỏi dầu Biodiesel sau đấy. Sự chuyển hoá este Estergroup Nguyên liệu sản xuất Biodiesel khá phong phú, nhưng hiện nay trên thế giới chủ yếu sử dụng: dầu cấy cải dầu, dầu đậu nành, dầu cây hướng dương, dầu dừa, dầu hạt cau, … Chữ đầu từ dùng cho tất cả các methyl este từ dầu thực vật theo DIN EN 14214 là PME. Tùy theo loại nguyên liệu cơ bản người ta còn chia ra thành: - RME: Mêthyl este của cây cải dầu (Brassica napus) theo DIN EN 14214 (có giá trị toàn châu Âu từ 2004) - SME: Mêthyl este của dầu cây đậu nành hay dầu cây hướng dương. - PME: Mêthyl este của dầu dừa hay dầu hạt cau. Ở Việt Nam, đãcó nhiều nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng Biodiesel. Theo báo Sài gòn giải phóng,19/09/2006 thì nhóm các nhà khoa học gồm TS Nguyễn Đình Thành, Th.s Phạm Hữu Thiện, KS Võ Thanh Thọ và Lê Trần Duy Quang cũng đã có công trình tổng hợp biodiesel từ nguồn dầu mỡ phế thải (mỡ cá basa, dầu ăn phế thải). Sản lượng: Bảng 3.2. Sản lượng dầu thu được từ các loại nông sản. 1 Oil or Fat H H C C O R1 O H C C O R2 O H C C O R3 O H + COH H3 + COH H3 + COH H3 C O R1 O CH3 C O R2 O CH3 C O R3 O CH3 Na+ 1 Triglycerid 1 Tri-Ester H + 3 Alcohol 3 Methylester + 3 Methanol + HC O H HC H O HC H O H Catalyst + 1 Glycerin H H H H C H H C H H C H H C H C H C H H C H H C H H C H C H H C H C H H HHH H C H C H C H CC HH Example for R: Loại nông sản kg oil/ha litres oil/ha lbs oil/acre US gal/acre Ngô 145 172 129 18 Hạt điều 148 176 132 19 Yên mạch 183 217 163 23 Đậu lupin 195 232 175 25 Cây dâm bụt Đông Ấn Độ 230 273 205 29 Bông 273 325 244 35 Cây gai dầu 305 363 272 39 Đậu nành 375 446 335 48 Coffee 386 459 345 49 Hạt lanh 402 478 359 51 Hạt cây phỉ 405 482 362 51 Hạt bí ngô 449 534 401 57 Cây rau mùi 450 536 402 57 Hạt cây mù tạc 481 572 430 61 Hạt vừng 585 696 522 74 Cây rum 655 779 585 83 Gạo 696 828 622 88 Dầu cây tùng 790 940 705 100 Cây hướng dương 800 952 714 102 Cacao 863 1,026 771 110 3.2.2. Tính chất của BIODIESEL B100 có tính chất hóa học và vật lý tương tự diesel và trong vài trường hợp có thể thay thế cho diesel với lượng nhỏ mà không cần hiệu chỉnh động cơ hoặc hệ thống nhiên liệu. B100 có hàm lương lưu huỳnh thấp hơn diesel, hàm lượng lưu huỳnh trong B100 nhỏ hơn 15ppm. Chứa 11% oxi và có TSXT cao hơn diesel, tạo điều kiện cho quá trình cháy hoàn thiện hơn và mức phát thải ít hơn. Để sử dụng B100 như một nhiên liệu độc lập cho động cơ diesel, cần lưu ý các đặc điểm sau: B100 là một dung môi tốt. Nó có thể làm nở ra hoặc hòa tan các cặn trong bình nhiên liệu và hệ thống nhiên liệu. Vì thế, nếu hệ thống nhiên liệu có nhiều cặn bẩn nên rữa sạch thùng chứa và hệ thống trược khi sử dụng B100. Bên cạnh đó, biodiesel sẽ phân hủy các ống dẫn nhiên liệu và các vòng đệm bằng cao su. B100 có nhiệt độ đông đặc cao hơn diesel, là vấn đề cần tính toán trước khi sử dụng. B100 bắt đầu kết tinh (vẩn đục) ở khoảng -3oC ÷ 12oC (35°F ÷ 60°F). Khi bắt đầu đặc, độ nhớt tăng lên, tăng tới mức cao hơn cả diesel, là nguyên nhân tăng trợ lực cho bơm cung cấp và cho cả vòi phun nhiên liệu. Vì thế vùng có khí hậu lạnh nên dùng hỗn hợp của biodiesel. Khi chất lượng tia phun không tốt nhiên liệu không cháy kiệt, phần nhiên liệu bám vào thành xi lanh sẽ lọt xuống các-te, biodiesel bị phân hủy do nhiệt độ cao tại đây, tạo ra các chất cặn thể rắn hay ở dạng keo. Chúng sẽ làm giảm đi tính bôi trơn của dầu bôi trơn và dẫn đến động cơ bị hao mòn nhiều hơn. Vì thế mà nên rút ngắn thời kỳ thay nhớt khi sử dụng RME. Bảng 3.3. Tiêu chuẩn kỹ thuật của diesel và biodiesel: Loại nhiên liệu Diesel Biodiesel Tiêu chuẩn ASTM D975 ASTM D6751 Nhiệt trị thấp, MJ/gal 40,9 ~118,170 Độ nhớt động học, @ 40oC 1.3÷4.1 4.0÷6.0 Khối lượng riêng kg/l @ 60oF 0.85 0.88 Tỷ trọng, lb/gal @ 15oC 7.079 7.328 Nước và cặn, % V 0.05 max 0.05 max Carbon (C), %kl 87 77 Hydro (H2), %kl 13 12 Oxy (O2), %kl 0 11 Lưu huỳnh, %kl 0.05 max 0.0 ÷ 0.0024 Điểm sôi, oC 180 ÷340 315 ÷ 350 Điểm đông đặc, oC -35 ÷ -15 -15 ÷ 10 Trị số Xêtan 40÷55 48÷65 3.2.3. Ứng dụng của BIODIESEL Biodiesel dùng kết hợp với diesel bằng các hỗn hợp B1, B2, B5, B20 lúc này hệ thống nhiên liệu động cơ diesel hầu như ít thay đổi, công suất động cơ giảm ít, hàm lượng khí thải CO, HC giảm và NOx tăng ít. Nhưng khi hàm lượng biodiesel lớn hơn 20%kl thì công suất của động cơ giảm, suất tiêu hao nhiên liệu giảm, động cơ ít ồn hơn, hàm lượng CO, HC trong khí thải giảm và NOx trong khí thải tăng nhanh. 3.4. BIOGAS 5.2.1. Sản xuất BIOGAS Biogas là kết quả phân hủy các chất hữu cơ trong môi trường thiếu không khí. Các chất hữu cơ (cây cối, rơm rạ, xác sinh vật, các chất thải từ quá trình chế biến thực phẩm...), các chất thải từ quá trình chăn nuôi... Biogas chứa chủ yếu methane (50-70%) và CO2 (25-50%) còn lại là các chất khác như N2, O2, H2S, CO… Bảng 3.4. Thành phần khí biogas Thành phần % Methane, CH4 50-75 Carbon dioxide, CO2 25-50 Nitrogen, N2 0-10* Hydrogen, H2 0-1 Hydrogen sulphide, H2S 0-3 Oxygen, O2 0-2* 5.2.2. Tính chất của BIOGAS CH4 được mệnh danh là nhiên liệu “sạch”, có nhiệt trị cao, nhiệt trị thấp của CH4 là 1012 Btu/ft3 (37,71.103KJ/m3). 1m3 CH4 khi cháy tỏa ra một nhiệt lượng tương đương với 1,3kg than đá, 1,15 lít xăng, 1,7 lít cồn hay 9,7kwh điện. Nếu sử dụng biogas làm nhiên liệu, 1m3 khí biogas có thể cung cấp cho động cơ 1 sức ngựa chạy trong 2 giờ. Vì vậy nếu khí biogas được lọc sạch các tạp chất thì chúng sẽ là nguồn nhiên liệu thay thế rất lý tưởng để chạy động cơ đốt trong trên cơ sở các thành tựu đã đạt được về động cơ sử dụng nhiên liệu khí. 5.2.3. Ứng dụng của BIOGAS và vấn đề cần giải quyết khi sử dụng biogas làm nhiên liệu. a) Ứng dụng của BIOGAS Do CH4 có nhiệt tri cao nên có thể sử dụng Biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Khi đó yêu cầu phải xử lý Biogas trước khi sử dụng vì H2S là một khí rất độc tạo nên hỗn hợp nổ với không khí. Khí H2S có thể ăn mòn các chi tiết trong động cơ, sản phẩm của nó là SOx cũng là một khí rất độc. Hơi nước có hàm lượng nhỏ nhưng ảnh hưởng đáng kế đến nhiệt độ ngọn lửa, giới hạn cháy, nhiệt trị thấp và tỷ lệ không khí/nhiên liệu của Biogas. Phong trào xây dựng các hầm khi biogas qui mô gia đình và ở các hộ chăn nuôi gia súc ở nước ta cũng đã được phát triển. Khí biogas hiện nay chủ yếu được dùng để thay thế chất đốt. Kết quả đem lại rất tích cực cả về hiệu quả kinh tế lẫn bảo vệ môi trường. Nguồn khí biogas nhận được từ các hầm khí sinh học đã cung cấp năng lượng phục vụ việc đun nấu, do đó hiện tượng chặt phá rừng làm chất đốt ở nông thôn phần nào đã được kiểm soát. Tuy nhiên nhu cầu năng lượng ở nông thôn không phải chỉ dừng lại ở đó. Trong thực tế sản xuất và sinh họat ở nông thôn hiện nay, những động cơ cỡ nhỏ kéo các máy công tác thông thường như bơm nước, phát điện, xay xát, máy lạnh để bảo quản sản phẩm nông nghiệp... có nhu cầu sử dụng rất lớn. Sử dụng khí biogas để chạy các loại động cơ này sẽ giúp cho người nông dân tiết kiệm được chi phí năng lượng, giảm giá thành sản xuất và góp phần tích cực vào việc cải thiện đời sống người dân. Trên thế giới người ta đã sản xuất những động cơ cỡ lớn sử dụng khí biogas của các bãi rác làm nhiên liệu để sản xuất điện năng. Tuy nhiên các động cơ cỡ nhỏ (công suất nhỏ hơn khoảng 7kW) chạy bằng khí biogas chưa được nghiên cứu phát triển. Nước ta có hơn 80% dân số sống ở nông thôn. Việc tận dụng các nguồn năng lượng tại chỗ cho sản xuất sẽ giúp cho nông dân tiết kiệm được kinh phí, làm giảm giá thành sản phẩm, tăng thu nhập cho người dân. Sử dụng động cơ nhiệt chạy bằng khí biogas để kéo máy công tác trong sản xuất và đời sống ở nông thôn vì vậy có ý nghĩa rất thiết thực. Mặt khác việc sử dụng nguồn năng lượng này trong sản xuất và đời sống còn góp phần giảm thiểu chất thải, bảo vệ tài nguyên và môi trường. b) Khử tạp chất cho khí biogas: Thành phần của khí biogas tại một số hầm biogas trên địa bàn Thành phố Đà Nẵng như bảng 3.5. Bảng 3.5. Thành phần trung bình khí biogas ở một số cơ sở sản suất trên địa bàn Đà Nẵng CH4% CO2% H2S% N2% H2O% H2% 68 22,9 5 3 0,1 1 Hai tạp chất quan trọng trong khí biogas là H2S và CO2. H2S sau khi cháy sẽ tạo ra SOx gây ăn mòn các chi tiết kim loại của động cơ và làm ô nhiễm môi trường không khí. Sự hiện diện của khí CO2 trong biogas làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu. Ngoài ra trong biogas còn có một số tạp chất khác nhưng hàm lượng của chúng bé, gây ảnh hưởng không đáng kể đến quá trình cháy, tuổi thọ của động cơ. Vì vậy để có thể sử dụng khí biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong, chúng ta cần khử hai chất H2S và CO2. Việc loại bỏ H2S trong thực tế thường được thực hiện bằng phương pháp hấp phụ. Trong phòng thí nghiệm, để khử H2S với hàm lượng bé (như mẫu khí trước khi đưa qua máy phân tích...) người ta thường dùng oxit kẽm làm chất hấp phụ. Phản ứng khử H2S được viết như sau: ZnO + H2S = ZnS + H2O (1) Khi oxít kẽm bão hòa, người ta thay hoàn toàn vật liệu mới chứ không hoàn nguyên vì tính kinh tế thấp. Để khử H2S với qui mô lớn hơn, người ta dùng oxít sắt. Quá trình hấp phụ và nhả hấp phụ H2S trên oxít sắt được biểu diễn bằng các phản ứng sau: - Hấp phụ: Fe2O3 + 3H2S = Fe2S3 + 3H2O (2) - Nhả hấp phụ: 2Fe2S3 + 3O2 = 2Fe2O3 +6S (3) Tốc độ phản ứng hấp phụ H2S của sắt oxit phụ thuộc vào mức độ tiếp xúc giữa khí và bề mặt vật liệu hấp phụ. Do đó để nâng cao tốc độ phản ứng, độ rỗng (xốp) của vật liệu hấp phụ phải lớn. Điều kiện lý tưởng cho phản ứng hấp phụ H2S bằng oxit sắt là nhiệt độ nằm trong khoảng 28 ÷ 30oC và độ ẩm của vật liệu hấp phụ khoảng 30%. Ngoài oxit sắt người ta còn có thể sử dụng quặng bùn có chứa sắt (III) hydroxit để khử H2S theo phản ứng sau: 3H2S + 2Fe(OH)3 = Fe2S3 +H2O + 62,5 kJ/mol (4) Phản ứng trên diễn ra tốt nhất trong điều kiện nhiệt độ 28 ÷ 30oC, độ ẩm vật liệu khoảng 30%. Sau khi bão hòa, vật liệu hấp phụ được hoàn nguyên bằng oxy trong không khí với sự tham gia của hơi nước. Kết quả thu được là hydroxit sắt và lưu huỳnh đơn chất theo phản ứng: 2Fe2S3 + 3O2 +6H2O = 4Fe(OH)3 + 6S +606 kJ/mol (5) Thể tích không khí cấp cho quá trình hoàn nguyên được điều chỉnh tuỳ theo nhiệt độ và hàm lượng oxy trong hỗn hợp khí đi vào hệ thống lọc. Vật liệu hấp phụ được xem là hết tác dụng khi hàm lượng lưu huỳnh chiếm 50% khối lượng vật liệu. Lưu huỳnh tích tụ trong vật liệu hấp phụ dần dần bao bọc các hạt Fe(OH)3 và gây cản trở cho sự thâm nhập của H2S vào bề mặt của các hạt vật liệu hấp phụ. Đối với việc loại trừ khí CO2 ra khỏi biogas, phương pháp đơn giản nhất là sử dụng nước làm chất hấp thụ. Quá trình hấp thụ và nhả hấp thụ của nước đối với CO2 dựa trên các phản ứng sau: - Ở nhiệt độ thường: H2O + CO2 → H2CO3 (hấp thụ) (6) - Ở nhiệt độ cao hơn: H2CO3 → H2O + CO2 (nhả hấp thụ) (7) Hệ thống xử lý khí biogas để chạy động cơ đốt trong CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 Khê chaûy âäüng cå 88.9%CH4 H2O saûch Bçnh âiãöu aïp Bçnh taïch áøm H2O bäø sung Láúy máúu thæí Âãún thiãút bë taïch CO2 V-12 Næåïc ræía chæïa S GAS HOLDER V-01 ρgh V-16 V-09V-07 V-05 V-06V-04 V-03 V-02 V-15 V-14 V-12V-13 V-11 V-17 V-10 V-08 Næåïc ræía S K hä ng k hê la ìm m aït â äün g cå Khäng khê noïng TO WATER DRAIN FROM GAS HOLDER Thiãút bë háúp phuû Thiãút bë taïi sinh Thiãút bë taïch H2O Thiãút bë thiãøn thë H2O Næåïc chæïa CO2 Hình 3.1. Sơ đồ hệ thống lọc tạp chất của khí biogas Theo kết quả nghiên cứu:Thử nghiệm khí biogas trên xe gắn máy-GS.TSKH. Bùi Văn Ga và các cộng sự): Sơ đồ công nghệ của hệ thống khử tạp chất khí biogas được trình bày trên hình 1. Trên cơ sở nguyên lý loại trừ H2S và CO2 trên đây, trong sơ đồ này, chúng tôi chọn phương pháp đơn giản nhất để thực hiện việc loại bỏ hai chất trên, đó là dùng oxít sắt để khử H2S và dùng nước để khử CO2. Khí biogas từ bể sinh khí được dẫn đến bình tách ẩm để ngưng tụ hơi nước chứa trong nhiên liệu. Sau đó nó được dẫn qua hệ thống lọc tạp chất. Để khử H2S, chúng tôi sử dụng phoi tiện sắt làm chất hấp phụ (hình 3.2). Phoi sắt trong môi trường không khí bị oxy hóa thành oxít sắt Fe2O3. Quá trình Ống PVC D=0,25m, H=3m Nước Biogas+hơi nước Biogas Nước + CO2 Quan sát mực nước Đệm xốp Hình 3.2.. Lõi lọc H2S bằng phoi tiện Hình 3.3. Sơ đồ cột hấp thụ CO2 bằng nước hấp phụ và nhả hấp phụ theo phản ứng (2), (3). Hệ thống khử H2S gồm hai bình lọc đặt song song. Nhờ hệ thống van, một trong hai cột lọc này có thể dừng lại để hoàn nguyên hay thay thế vật liệu hấp phụ mới mà không gây cản trở cho việc cung cấp khí biogas. Hoàn nguyên lọc được thực hiện nhờ thổi không khí ấm qua lõi lọc phoi tiện. Nhiệt lượng cung cấp cho không khí có thể lấy từ hệ thống làm mát hay hệ thống thải của động cơ. Sau khi qua bình lọc H S, khí biogas được dẫn2 đến hệ thống khử CO2. Hệ thống này gồ ng cơ, khí biogas được dẫn qua b phân tích khí biogas trước khi vào lọc, sau khi qua ư Cấu tử Trước lọc Sau lọc H ) m bình hấp thụ và bình nhả hấp thụ. Khí biogas có chứa CO2 và sương nước chuyển động ngược chiều trong cột hấp thụ có đường kính 0,25m và chiều cao 3m (hình 3.3). Sau khi hấp thụ CO2, nước được gia nhiệt và được bơm lên cột nhả hấp thụ để giải phóng CO2. Nước sạch thu lại trong bình nhả hấp thụ được bơm tuần hoàn trở lại trong hệ thống. Nhiệt lượng cung cấp cho hệ thống này có thể lấy từ hệ thống làm mát hay hệ thống thải của động cơ. Trước khi đưa vào độ ình tách ẩm và bình điều hòa. Toàn bộ hệ thống thí nghiệm xử lý tạp chất trong khí biogas được giới thiệu trên hình 3.4. Kết quả lọc H2S và sau khi ra khỏi hệ thống lọc như trên bảng 3.6. Kết quả này cho thấy hàm lượng CH4 tăng từ 69,33% lên 88,09% (tăng 30% so với giá trị ban đầu) do hàm lượng khí CO2 đã bị nước hấp thụ (giảm từ 20,63% xuống 8,3%). Hàm l bằng 0,5% so với hàm lượng của nó trong khí biogas trước khi giảm sau khi qua cột hấp thụ CO2 vì một bộ phận tạp chất này c Bảng 3.6. Thành phần khí biogas sau khi qua lọc (%vol) 2S (%vol CH4 69,33 73,243 CO2 20,63 23,092 H2S 5,32 0,270 Hình 4. Ảnh chụp hệ thống xử lý H2S và CO2 thí nghiệm ợng H chỉ Sau lọc CO2 qua lọc. Hàm lượng H 2S chỉ còn 0,023%, tức 2S tiếp tục ũng bị nước hấp thụ. (%vol) 88,09 8,3 0,023 N2 1,00 1,071 1,26 O2 1,55 0,000 0,000 CO 0,10 0,107 0,132 H2O 0,10 0,107 0,088 H2 1,97 2,110 2,520 TOTAL 100,00 100,00 100,00 Khí biogas sau khi xử lý được cung cấp cho động cơ xe gắn máy 110cc với bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu GA5. Hình 3.5 là ảnh chụp động cơ xe gắn máy được cung cấp khí biogas. Kết quả bước đầu cho thấy động cơ làm việc bình thường, chạy êm và rất dễ khởi động. Thử nghiệm định tính bằng phanh của xe không cho thấy sự khác biệt nào về công suất khi xe chạy bằng biogas và khi chạy bằng LPG. Kết quả phân tích khí thải động cơ xe gắn máy chạy bằng biogas được giới thiệu trên bảng 3.7. Theo TCVN, ở chế động không tải, giới hạn cho phép của HC là 1200ppm và CO là 4,5%. Nếu xem chế độ này ứng với khi động cơ làm quay bánh xe không tải 200 vòng/phút thì khi chạy bằng biogas, mức độ phát thải của động cơ chỉ bằng 10% đối với HC và 1% đối với CO so với giới hạn cho phép của TCVN. Điều này cho thấy sử dụng biogas để chạy động cơ là rất lý tưởng về mặt bảo vệ môi trường. Tương tự như khi sử dụng khí thiên nhiên, khó khăn cần phải giải quyết là tìm kiếm công nghệ lưu trữ biogas trên phương tiện vận tải. Điều này không gây trở ngại cho việc ứng dụng biogas trên động cơ tĩnh tại. Hình 5. Chạy thử nghiệm biogas trên động cơ xe gắn máy 110cc với bộ phụ kiện GA5 Bảng 3.7. Kết quả phân tích khí xả động cơ xe gắn máy chạy bằng biogas Hàm lượng khí xả Tốc độ quay bánh xe (v/ph) không tải Tốc độ quy đổi (km/h) HC (ppm) CO(%vol) CO2(%vol) 200 18.85 102.00 0.04 2.56 300 28.27 738.00 0.08 2.38 450 42.41 644.00 0.09 2.80 5.5. BẢO QUẢN NHIÊN LIỆU SINH HỌC Được sản xuất từ các sản phẩm nông nghiệp nên nhiên liệu sinh học dễ bị các vi sinh vật phân hủy, vì vậy cần bảo quản nhiên liệu sinh học trong điều kiện mát mẻ bằng các thiết bị có vật liệu kín.