Khóa luận Nghiên cứu chế tạo năng lượng thân thiện môi trường từ dầu thực vật trên xúc tác Na2CO3

Khoá luận tốt nghiệp Ngành Kỹ thuật môi trường Sinh viên: Trần Thị Tỏ - MT1101 1 LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm tốt nghiệp vừa qua, dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Th.s Đặng Chinh Hải với sự tìm tòi và học hỏi của bản thân em đã hoàn thành xong khóa luận tốt nghiệp khóa luận của mình. Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo Th.s Đặng Chinh Hải đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn, chỉ bảo cho em những lời khuyên bổ ích trong thời gian làm khóa luận tốt nghiệp của em vừa qua. Em xin cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn kỹ thuật môi trường, trường ĐHDL Hải Phòng đã giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và làm khóa luận tốt nghiệp. Em xin cảm ơn tới nhà trường ĐHDL Hải Phòng đã tạo điều kiện đầy đủ cơ sở vật chất để em có thể nghiên cứu và hoàn thành xong khóa luận tốt nghiệp của mình. Em xin chân thành cảm ơn! Hải phòng ngày 08 tháng 11 năm 2011 Sinh viên Trần Thị Tỏ Khoá luận tốt nghiệp Ngành Kỹ thuật môi trường Sinh viên: Trần Thị Tỏ - MT1101 2 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... 1 LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 4 PHẦN 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT ................................................................... 5 1.1. Tổng quan về nhiên liệu ...................................................................................... 5 1.1.1. Khái quát về nhiên liệu diesel và nhiên liệu khoáng [1,2,6,7] ......................... 5 1.1.2. Nhiên liệu diesel ............................................................................................... 9 1.1.2.1. Nhiên liệu diesel truyền thống và các đặc tính của nó .................................. 9 1.1.2.3. Khí thải của nhiên liệu diesel truyền thống ................................................. 10 1.1.3 Tổng quan về dầu thực vật [2,3,4] ................................................................... 11 1.1.3.1. Thành phần hóa học của dầu thực vật. ........................................................ 11 1.1.3.2. Tính chất lý học của dầu thự vật ................................................................. 12 1.1.3.3. Tính chất hóa học của dầu thực vật ............................................................. 13 1.1.3.4. Các chỉ số quan trọng của dầu thực vật ....................................................... 14 1.1.3.5. Giới thiệu về dầu đậu nành .......................................................................... 15 1.2 Tổng quan về biodiesel [6,7,8] ........................................................................... 16 1.2.1 Nhiên liệu sinh học .......................................................................................... 16 1.2.2. Giới thiệu về biodiesel [1,9] ........................................................................... 16 1.2.3. Các quá trình chuyển hóa este tao biodiesel [9] ............................................. 22 1.2.4. Quá trình chuyển hóa este sử dụng xúc tác bazơ [9]...................................... 23 PHẦN 2: THỰC NGHIỆM ................................................................................... 27 2.1. Quá trình tổng hợp biodiesel từ dầu đậu nành .................................................. 27 2.1.1. Yêu cầu về nhiên liệu ..................................................................................... 27 2.1.1.1. Alcol ............................................................................................................ 27 2.1.1.2. Dầu thực vật (dầu đậu nành) ....................................................................... 27 2.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp biodiesel ................................ 28 2.1.3. Cách tiến hành tổng hợp biodiesel ................................................................ 29 2.1.3.1. Các thiết bị chính trong quá trình tổng hợp biodiesel ................................. 29 2.1.3.3. Quá trình tách và tinh chế sản phẩm ........................................................... 32 2.2. Các phương pháp phân tích chất lượng sản phẩm............................................. 34 Khoá luận tốt nghiệp Ngành Kỹ thuật môi trường Sinh viên: Trần Thị Tỏ - MT1101 3 PHẦN 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................... 35 3.1. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp biodiesel..................... 35 3.1.1. Nồng độ xúc tác .............................................................................................. 35 3.1.2. Ảnh hưởng thời gian phản ứng ....................................................................... 36 3.1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng ................................................................. 37 3.2. Thử nghiệm nhiên liệu biodiesel (B20) trong động cơ ..................................... 38 3.3.1. Ảnh hưởng của nhiên liệu biodiesel tới công suất của động cơ ..................... 40 3.3.2. Xác định thành phần khói thải và so sánh với diesel khoáng ........................ 41 KẾT LUẬN ............................................................................................................. 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 48 Khoá luận tốt nghiệp Ngành Kỹ thuật môi trường Sinh viên: Trần Thị Tỏ - MT1101 4 LỜI MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, ô nhiễm môi trường và sự cạn kiệt của các nguồn nguyên liệu hóa thạch đã và đang là vấn đề được nhiều nước trên thế giới đặc biệt quan tâm. Do vậy, việc nghiên cứu các nguồn năng lượng mới thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch nhằm đảm bảo an ninh năng lượng, thân thiện với môi trường, tránh và giảm thiểu những tác động to lớn đến môi trường trái đất như: Hiện tượng hiệu ứng nhà kính làm trái đất nóng dần lên (do thải ra nhiều khí CO2) và các khí thải như: H2S, SOX, CO làm mưa axit, đang là xu thế mới của khoa học hiện nay. Tuy nhiên, phương pháp nào có thể phổ biến rộng rãi trong thực tiễn thì vẫn còn trong quá trình nghiên cứu. Các nhà khoa học trên thế giới đã đưa ra rất nhiều giải pháp khác nhau, sử dụng các dạng năng lượng khác nhau như: Năng lượng mặt trời, năng lượng thủy, năng lượng gió, nhiên liệu sinh học Trong số các dạng năng lượng mới này thì nguyên liệu sinh học được quan tâm hơn cả vì nó được sản xuất từ loại nguyên liệu có thể trồng trọt được và khí thải gây ô nhiễm môi trường là rất ít. Điển hình là nhiên liệu sinh học Biodiesel đang được nghiên cứu ở Việt Nam. Hiện nay động cơ diesel có tỉ số nến cao, do đó trên thế giới đang có xu hướng diesel hóa động cơ nên nhiên liệu biodiesel được quan tâm hơn cả. Biodiesel được coi là một loại nhiên liệu sinh học, khi trộn với diesel theo một tỉ lệ thích hợp làm cho nhiên liệu diesel giảm đáng kể lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường mà ta không phải cải tiến động cơ. Biodiesel được sản xuất từ các loại dầu thực vật, mỡ động vật, thậm chí từ các loại dầu thải Trên thế giới đã có rất nhiều nước nghiên cứu sản xuất và sử dụng biodiesel như là phụ gia cho nhiên liệu diesel tiêu biểu như Đức, Mỹ, Pháp Việt Nam là một nước nông nghiệp do vậy có nguồn thực vật phong phú, việc sử dụng chúng trong sản xuất nhiên liệu sinh học sẽ có giá trị khoa học và thực tiễn lớn. Trong bản luận văn tốt nghiệp này tôi đề cập tới vấn đề sau: Nghiên cứu chế tạo năng lượng thân thiện môi trường từ dầu thực vật trên xúc tác Na2CO3 Khoá luận tốt nghiệp Ngành Kỹ thuật môi trường Sinh viên: Trần Thị Tỏ - MT1101 5 PHẦN 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1. Tổng quan về nhiên liệu 1.1.1. Khái quát về nhiên liệu diesel và nhiên liệu khoáng [1,2,6,7] Như chúng ta đã biết, năng lượng nói chung và nhiên liệu dùng cho giao thông vận tải nói riêng đóng vai trò thiết yếu cho sự phát triển của kinh tế xã hội và nâng cao chất lượng cuộc sống. Hiện nay, sự phát triển kinh tế và khoa học kỹ thuật càng ngày càng được phát triển và hoàn thiện. Để đáp ứng được sự phát triển của nền kinh tế và KHKT thì ngành năng lượng phải được phát triển cả về số lượng và chất lượng, vì năng lượng được ví là đầu tầu để thúc đẩy sự phát triển kinh tế của một quốc gia, an ninh năng lượng gắn liền với an ninh kinh tế và an ninh quốc gia. Các nguồn năng lượng đang được sử dụng hiện nay trên thế giới chủ yếu là nguồn năng lượng hóa thạch như than, dầu mỏ và nguồn năng lượng thủy điện, hạt nhân Trong đó, nguồn năng lượng dầu mỏ quan trọng nhất chiếm 65% năng lượng sử dụng trên thế giới, trong khi đó than đá chiếm 20% - 22%, 5% - 6% từ năng lượng nước và 8% - 25% từ năng lượng hạt nhân. Ta thấy rằng dạng năng lượng hóa thạch dần dần bị cạn kiệt. Theo như dự đoán của tập đoàn BP thì trữ lượng dầu mỏ đã thăm dò trên toàn cầu là 150 tỷ tấn. Năm 2003 lượng dầu mỏ tiêu thụ trên toàn thế giới là 3,6 tỷ tấn, do vậy nếu như không phát hiện ra mỏ nào trên thế giới thì nguồn dầu mỏ này sẽ bị cạn kiệt trong vòng 41 năm. Trong khi đó thì lượng tiêu thụ dầu mỏ ngày càng tăng cùng với sự bùng nổ dân số và sự phát triển liên tục của các phương tiện giao thông, dự kiến đến năm 2050 trên toàn thế giới sẽ có khoảng 1 tỷ ô tô các loại. Tất cả lý do trên làm đẩy giá dầu lên cao, hiện nay giá dầu thô trên thế giới dao động từ 85$ - 90$ một thùng. Mặt khác, lượng dầu mỏ lại tập trung ở những khu vực bất ổn như Trung Đông (chiếm 2/3 trữ lượng dầu mỏ thế giới) Trung Á, Trung Phi. Điều này làm mỗi khi có cuộc khủng hoảng về dầu mỏ làm nền kinh tế nhiều nước bị khủng hoảng trầm trọng đặc biệt là các nước nghèo, các nước không có nguồn tài nguyên dầu mỏ. Các khảo sát của tổ chức quốc tế cho hay tốc độ phát triển công nghiệp Khoá luận tốt nghiệp Ngành Kỹ thuật môi trường Sinh viên: Trần Thị Tỏ - MT1101 6 toàn cầu đang suy giảm do giá dầu tăng như ở Mỹ, EU và các nước Châu Á, Việt Nam cũng không nằm ngoài số đó. Việt Nam là một nước có tiềm năng dầu khí không phải lớn lắm, tuy nhiên vài năm gần đây ta đã khai thác được dầu và đang được xuất khẩu dưới dạng dầu thô còn các sản phẩm dầu ta vẫn phải nhập khẩu. Năm 2003 tiêu thụ năng lượng thương mại ở nước ta là 205 kg/người, chỉ bằng 20% mức bình quân trên thế giới. Xăng dầu của chúng ta dùng cho giao thông vận tải chiếm 30% nhu cầu năng lượng cả nước ta vẫn phải nhập khẩu. Trong tương lai với sự xuất hiện của 3 nhà máy lọc dầu LD-1 (Dung Quất), LD-2 (Nghi Sơn), LD-3 hy vọng sẽ đáp ứng nhu cầu năng lượng cho đất nước. Bảng 1.1: Cơ cấu sản phẩm nhiên liệu Sản phẩm LD-1 (2008) LD-2 (2011-2012) LD-3 (2017-2018) Tổng số trước năm 2020 Xăng 2.000 2.100 2.100 6.200 Diesel 3.400 2.180 2.180 7.760 Kerosen 0 200 200 400 JA1 280 200 200 680 FO 120 270 270 660 Tổng số xăng dầu 5.800 4.950 4.950 15.700 Tổng số xăng, diesel 5.400 4.280 4.280 13.960 (Viện chiến lược phát triển - Bộ KHKT) Nhà máy lọc dầu LD-3 chưa có số liệu, ước tính có cơ cấu sản phẩm như LD-2. Theo bảng trên đến trước năm 2020 khi cả 3 nhà máy lọc dầu với tổng công xuất 20-22 triệu tấn dầu vào hoạt động sẽ cung cấp 15-16 tấn xăng diesel trong tổng nhu cầu khoảng 27-28 triệu tấn. Như vậy, khi cả 3 nhà máy đi vào hoạt động thì ta vẫn còn thiếu đáng kể. Khoá luận tốt nghiệp Ngành Kỹ thuật môi trường Sinh viên: Trần Thị Tỏ - MT1101 7 Bảng 1.2: Cân đối nhiên liệu xăng, diesel đến năm 2020 Sản phẩm 2001 2005 2008 2010 2012 2015 2018 2020 Dân số (triệu người) Tổng nhu cầu 5.143 8.620 12.896 16.230 19.564 Khả năng cung cấp trong nước 700 (conden sat) 5.400 LD-1 6.100 4.280 LD-2 10.380 4.280 LD-3 14.660 Thiếu(-) 5.143 (100%) 7.929 (92%) 6.796 (52,78%) 5.850 (36%) 4.904 (25%) Tiêu dùng (kg/ng/năm) 104 146 174 196 (Viện chiến lược phát triển - Bộ KHKT) Khi sử dụng các nguồn nguyên liệu hóa thạch thì gặp phải một vấn đề lớn đó là ô nhiễm môi trường. Đây là một vấn đề lớn mà các nước trên thế giới đang quan tâm, nước ta cũng không nằm ngoài vấn đề đó. Sử dụng nhiên liệu hóa thạch gây tác động lớn đến môi trường toàn cầu như gây hiệu ứng nhà kính làm trái đất nóng dần lên (do nhiên liệu hóa thạch thải nhiều khí CO2), gây lên mưa axít (thải khí SOx) và các khí độc hại với sức khỏe con người như hydro cacbon thơm, CO Do vậy, việc nâng cao chất lượng các sản phẩm nhiên liệu giảm lượng khí thải và tìm kiếm nhiên liệu mới đang được quan tâm Đối với động cơ diesel có tỉ số nén cao hơn động cơ xăng, giá thành diesel lại rẻ hơn nhiều so với động cơ xăng do vậy trên thế giới đang có xu hướng diesel hóa động cơ diesel. Do vậy, vấn đề để làm sạch diesel đang được quan tâm. Có rất nhiều phương pháp nhưng nhìn chung có bốn phương pháp chính sau:  Phương pháp pha trộn: Đó là sử dụng việc pha trộn giữa nhiên liệu diesel sạch với nhiên liệu diesel bẩn thu được nhiên liệu diesel đảm bảo chất lượng. Phương pháp này có hiệu quả kinh tế cao, có thể pha trộn với các tỷ lệ khác nhau để có nhiên liệu diesel thỏa mãn yêu cầu. Tuy nhiên, trên thế giới có rất ít dầu mỏ chứa ít thành phần phi hydrocacbon (dầu mở sạch), mà chủ yếu là Khoá luận tốt nghiệp Ngành Kỹ thuật môi trường Sinh viên: Trần Thị Tỏ - MT1101 8 dầu mỏ có thành phàn phi hydrocacbon cao. Vì vậy, phương pháp này cũng không phải là phương pháp khả thi.  Phương pháp hydro hóa làm sạch: Phương pháp này có ưu điểm là hiệu quả làm sạch rất cao, các hợp chất phi hydrocacbon được giảm xuống thấp nên nguyên liệu diesel rất sạch. Tuy nhiên, phương pháp này ít được lựa chọn vì vốn đầu tư khá cao khoảng 60 dến 80 triệu đô la cho một phân xưởng hydro hóa.  Phương pháp nhũ hóa nhiên liệu diesel: Đưa nước vào nhiên liệu diesel và tạo thành dạng nhũ tương. Loại nhiên liệu này có nồng độ oxy cao hơn nên quá trình cháy sạch hơn phương pháp này nếu thực hiện được thì không những giảm được ô nhiễm môi trường mà còn có giá trị kinh tế rất cao. Nhưng phương pháp này vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu trong phòng thí nghiệm.  Phương pháp đưa các hợp chất chứ oxy vào nhiên liệu: Đó là biodiesel. Dạng nhiên liệu này có nồng độ oxy cao hơn, thêm vào đó là nhiên liệu sinh học lại có ít tạp chất, vì vậy quá trình cháy sạch, ít tạo cặn Trong bốn phương pháp trên thì phương pháp thứ tư là phương pháp được nhiều nước quan tâm nhất và tập trung nghiên cứu nhiều nhất, vì đây là phương pháp lấy từ nguồn nguyên liệu sinh học, đó là một nguồn nguyên liệu vô tạn, tái sử dụng được, hơn nữa nhiên liệu này khi cháy tạo rất ít các khí thải như: COx, SOx, H2S, Hydro cacbon thơm Các khí này là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường Biodiesel là một nhiên liệu sinh học điển hình, nó được điều chế từ dầu thực vật (dầu dừa, dầu bong, dầu hạt hướng dương, dầu cọ, dầu đậu nành,) hoặc là mỡ động vật sạch hoặc là phế thải. Đây là những nguyên liệu không độc hại, có khả năng phân hủy sinh học, có thể trồng trọt và chăn nuôi được. Ngoài ra, trong quá trình sản xuất biodiesel, có tạo ra sản phẩm phụ là glyxerin, đây cũng là một chất có giá trị kinh tế cao chúng được sử dụng trong các ngành dược, mỹ phẩm Biodiesel rất sạch, đây là một nguồn nguyên liệu thay thế tốt nhất cho động cơ trong tương lai khi mà nguồn nguyên liệu khoáng bị cạn kiệt, không làm suy yếu các nguồn tự nhiên, có lợi về mặt sức khỏe và môi trường. Việc sản xuất biodiesel Khoá luận tốt nghiệp Ngành Kỹ thuật môi trường Sinh viên: Trần Thị Tỏ - MT1101 9 từ dầu thực vật, mỡ động vật và phế thải không những giúp cân bằng môi trường sinh thái mà còn làm đa dạng hóa các dạng năng lượng cung cấp cho con người, đóng góp vào đảm bảo an năng lượng, giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu khoáng, đồng thời đem lại lợi nhuận và việc làm cho người dân. 1.1.2. Nhiên liệu diesel 1.1.2.1. Nhiên liệu diesel truyền thống và các đặc tính của nó Để động cơ diesel làm việc ổn định đòi hỏi nhiên liệu diesel phải đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng sau: * Phải có tính tự cháy phù hợp: Tính chất này được đánh giá qua trị số xê tan Trị số xê tan là đơn vị đo quy ước đăc trưng cho khả năng tự bắt lửa của nhiên liệu diesel là một số nguyên, có giá trị đúng bằng giá trị của hỗn hợp chuẩn có cùng khả năng tự bắt cháy. Hỗn hợp chuẩn này gồm hai hydrocacbon: n-xeetan (C16H34) quy định là 100, có khả năng tự bắt cháy tốt và anpha-metyl naphtalen (C11H10) quy định là 0 có khả năng tự bắt cháy kém Trị số xê tan được xác định theo tiêu chuẩn ASTM-D613. Trị số xê tan cao quá hoặc thấp quá đều gây nên những vấn đề không tốt cho động cơ. * Có khả năng tạo hỗn hợp cháy tốt: Bay hơi tốt và phun trộn tốt được đánh giá qua thành phần phân đoạn, độ nhớt, tỷ trọng, sức căng bề mặt. * Tính lưu biến tốt: Để đảm bảo khả năng cấp liệu liên tục. Yêu cầu này được đánh giá bằng nhiệt độ đông đặc, nhiệt độ vẩn đục, tạp chất cơ học, hàm lượng nước, nhựa * Ít tạo cặn: Phụ thuộc vào thành phần phân đoạn, đánh giá qua độ axít, lưu huỳnh, độ ăn mòn lá đồng, mercaptan *An toàn về cháy nổ và không gây ô nhiễm môi trường: Được đánh giá qua nhiệt độ chớp cháy. * Ít ăn mòn, có khả năng bảo vệ: Đánh giá qua trị số axít, hàm lương lưu huỳnh, độ ăn mòn lá đồng, hàm lượng cercaptan. Có thể tham khảo các chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu diesel theo tiêu chuẩn mỹ (ASTM) như bảng sau: Khoá luận tốt nghiệp Ngành Kỹ thuật môi trường Sinh viên: Trần Thị Tỏ - MT1101 10 Bảng 1.3: Chỉ tiêu đánh giá chất lượng nhiên liệu diesel theo ASTM STT Tính chất Phương phápB N0 1D N0 2D No 4D 1 Điểm chớp cháy, 0C, min D 93 38 52 55 2 Nước và cặn, % vol, max D 1796 0.05 0.05 0.5 3 Nhiệt độ sôi 90% vol, 0C D 86 Max 288 282-338 - 4 Độ nhớt động học ở 40o C,cStD D 445 1.3-2.4 1.9-4.1 5.5-24.0 5 Cặn cacbon trong 10% còn lại, % KL D 524 Max 0.15 0.35 0.1 6 Hàm lượng tro, % KL, Max D 482 0.01 0.01 2.00 7 Hàm lượng lưu huỳnh, %KL, maxE D 129 0.50 0.50 - 8 Độ ăn mòn lá đồng, 3h, 50oC, max D 130 N3 N3 - 9 Trị số xetan, minF D 613 40G 40G 30G 10 Điểm sương, oC, max D 2500 H H H 1.1.2.3. Khí thải của nhiên liệu diesel truyền thống Nhiên liệu diesel chủ yếu được lấy từ 2 nguồn chính là quá trình chưng cất trực tiếp dầu mỏ và quá trình cracking xúc tác. Các thành phần phi hidrocacbon trong nhiên liệu diesel cao như các hợp chất lưu huỳnh, nitơ, nhựa, asphanten. Các thành phần này không những gây nên các vấn đề về động cơ, mà còn gây ô nhiễm môi trường rất mạnh. Đặc biệt xu hướng hiện nay là diesel hóa động cơ thì vấn đề ô nhiễm môi trường ngày càng tăng mạnh. Các loại khí thải chủ yếu là SO2, NOx, CO, CO2, hydrocacbon, vật chất dạng hạt Các nước trên thế giới hiện nay đều quan tâm đến vấn đề hiệu quả kinh tế và môi trường vì vậy xu hướng phát triển chung của nhiên liệu diesel là tối ưu hóa trị số xetan, tìm mọi cách để giảm hàm lượng lưu huỳnh xuống mở rộng nguồn nhiên liệu sạch ít gây ô nhiễm môi trường việc đưa vào nhiên liệu diesel có thể nói là Khoá luận tốt nghiệp Ngành Kỹ thuật môi trường Sinh viên: Trần Thị Tỏ - MT1101 11 phương pháp hiệu quả nhất trong xu thế phát triển của nhiên liệu diesel hiện nay, nó vừa có lợi về mặt kinh tế, hoạt động của động cơ, vừa có lợi về mặt môi trường. 1.1.3 Tổng quan về dầu thực vật [2,3,4] Dầu thực vật là một trong những nguyên liệu được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp thực phẩm và các ngành công nghiệp khác. Trong công nghiệp thực phẩm, dầu thực vật là một loại thức ăn dễ tiêu hóa, cung cấp nhiều năng lượng. Trong ngành công nghiệp, dầu thực vật được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất xà phòng và chất tẩy rửa. Dầu thực vật có tính khô để sản xuất các chất tạo màng sơn,véc ni, các vật liệu chống thấm tách ẩm Trong công nghiệp tổng hợp hữu cơ dầu thực vật làm nguyên liệu để tổng hợp chất hóa dẻo, các polyme mạch thẳng. Đặc biệt, do hiện nay trên thế giới, ngành năng lượng đang quan tâm đến vấn đề ô nhiễm môi trường và nhiên liệu