Tải bản đầy đủ

CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT DME TỪ KHÍ THIÊN NHIÊN

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP.HCM
KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU KHÍ
*****

BÁO CÁO CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN KHÍ
Nhóm 10
CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT DME TỪ KHÍ THIÊN NHIÊN

GVHD: TS. Hồ Quang Như
Nhóm SV thực hiện:
1.
2.
3.
4.

Nguyễn Đức Lộc
Tạ Văn Sang
Trần Minh Tiệp
Phạm Tiến Trung


1511848
1512804
1513477
1513744

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 05/2018

MỤC LỤC


2


I – GIỚI THIỆU
Nhu cầu về năng lượng - nhiên liệu đang tăng nhanh trên toàn thế giới, trong
khi nguồn dầu mỏ hạn chế và yêu cầu giảm khí thải độc hại vào môi trường ngày
càng nghiêm ngặt. Lối thoát cho vấn đề nhạy cảm này là tìm nguồn năng lượng mới
dồi dào hơn và an toàn hơn. Etanol và dầu thực vật được đặt ra và đã thu được sự
quan tâm ở nhiều nước, nhưng dù có nguyên liệu tái sinh và ít độc hại, vẫn chưa thể
nhanh chóng được giải quyết.
Trong khi đó, Dimethyl Ether (DME) có thể được sản xuất từ khí thiên nhiên,
than đá và các nguồn nguyên liệu chứa cacbon khác, hứa hẹn nguồn khí thiên nhiên
còn dồi dào và về an toàn môi trường.
Trong những năm gần đây, DME đang được chú ý vì nó sạch và có nhiều ứng
dụng quan trọng như sử dụng làm chất đốt trong dân dụng và công nghiệp thay thế
LPG hay khí thiên nhiên (NG), làm nhiên liệu thay thế Diesel, dùng để điều chế
xăng, olefin, và một số ứng dụng khác.
DME có thể điều chế từ quá trình hydrat hóa metanol (cách truyền thống) và
điều chế trực tiếp bằng khí tổng hợp trên xúc tác lưỡng tính ( hệ xúc tác Cu-Zn
mang trên chất mang γ-Al2O3 ).
Mặc khác, DME là nhiên liệu có khả năng tái tạo vì khí tổng hợp có thể điều
chế bằng nhiều cách khác nhau từ than đá và khí thiên nhiên.

3


II – TỔNG QUAN VỀ DIMETHY ETHER
1. Tính chất của DME

DME là ete đơn giản nhất có công thức hóa học là CH3OCH3. Ở điều kiện bình


thường, nó là khí không màu, không độc và dễ cháy. DME sôi ở -25,10C, áp suất
hơi khoảng 0.6 Mpa (ở 250C). DME dễ hóa lỏng do có áp suất hơi thấp. DME lỏng
không màu và có độ nhớt là 0,12-0,15 kg/ms. Nói chung, DME có tính chất vật lý
khá giống LPG.
Bảng tóm tắt tính chất của DME và so sánh với các loại nhiên liệu khác
DME

Methane

Propan
e

Butane

Methanol

Diesel

CH3OCH3

CH4

C3H8

C4H10

CH3OH

-

-25.1

-161.5

-42.0

-0.5

64.6

180 360

6.1

-

9.3

2.4

-

-

1.59

0.55

1.52

2.00

-

-

0.67

-

0.49

0.57

0.79

0.84

235

650

470

430

450

250

3.4 - 17

5 - 15

2.1 9.4

1.9- 8.4

5.5 - 36

Chỉ số Cetane

55 - 60

0

5

10

5

Nhiệt lượng
thực theo
khối lượng
(kcal/kg)

6,900

12,000

11,100

10,930

4,800

10,20
0

Nhiệt lượng thực
theo thể tích
(kcal/m3)

14,200

8,600

21,800

28,300

-

-

Tính chất
Công thức
hóa học
Nhiệt độ sôi
(0C)
Áp suất hơi
(atm, 250C)
Tỷ trọng (so với
không khí)
Khối lượng
riêng lỏng
(g/cm3, 200C)
Điểm kích nổ
(0C)
Giới hạn cháy
(%)

0.6 7.5
40 55

4


Về trạng thái pha, DME chỉ tồn tại ở dạng khí và lỏng, tùy theo áp suất và nhiệt độ

P - T của DME

P (kPa)
6400

5600
4800
4000
3200
2400
1600
800
0

T (oC)
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

5


2.

Chiếc xe buýt đầu tiên sử dụng nhiên liệu dimethyl ether do nhóm chuyên gia nghành nhiên liệu thay thế Trư

Ứng dụng của DME

DME ít độc và có thể dùng thay cho Freon trong máy lạnh hay dùng để sản
xuất sol khí.
Có thể dùng làm dung môi chiết.
Trước kia, DME chủ yếu được sử dụng làm vật liệu khí phun thay thế CFC s
trong hộp phun. Hiện nay, DME vẫn giữ vai trò chủ yếu trong ứng dụng này,
chiếm tới 90% lượng DME sản xuất toàn cầu.

6


Theo như bảng trên ta có thể thấy, nhiệt trị của DME thấp hơn LPG và
methane không nhiều (nhiệt trị thể tích còn lớn hơn cả methane), lại dễ hóa lỏng
hơn LPG ( do áp suất hơi bão hòa thấp hơn ở cùng nhiệt độ), nên DME có thể
dung làm nhiên liệu thay thế cho LPG và khí thiên nhiên (NG) trong mục đích
dân dụng (đun nấu, sưởi ấm,…), trong công nghiệp (như chạy máy tuabine khí,
nhiên liệu đốt cháy ,..). Tuy nhiên thị trường này hiện chưa phát triển. Hiệp hội
DME quốc tế (IDA) cho biết có triển vọng cung cấp lượng lớn DME giá rẻ (có
nguồn gốc khí tự nhiên) cho nhà máy phát điện, phục vụ gia đình từ năm 2005
này trở đi.
+ Trong dân dụng, công nghiệp: không cần cải tạo thiết bị, động cơ khi tỷ
lệ phối trộn dưới 20% DME. Trong trường hợp sử dụng từ 20-100% DME, sẽ
cần hiệu chỉnh về thiết bị vòi đốt và tỷ lệ hòa trộn với không khí. Tuy nhiên,
việc hiệu chỉnh này khá đơn giản.
+ Trong động cơ giao thông vận tải, tỷ lệ tối đa cho phép của DME là 30%
trong hỗn hợp với LPG. Về mặt môi trường: DME là loại nhiên liệu sạch,
không độc cho người sử dụng, giảm phát thải CO, các hợp chất mạch vòng và
so với LPG. Tỷ lệ sử dụng trên quan điểm phát thải là 15-20% DME trong
LPG.
Một ứng dụng quan trong nữa của DME đang được quan tâm hiện nay là ứng
dụng của nó trong lĩnh vực giao thông vận tải
Người ta đã thử dùng DME làm nhiên liệu cho các trạm phát điện hoặc hoán
cải động cơ để dùng DME cho các loại xe ôtô động cơ diesel, máy phát điện
diesel (DME cũng được sử dụng làm chất cải thiện khả năng đánh lửa ở động cơ
chạy bằng Methanol)
Vấn đề này đã được Nhật Bản tiến hành trong giai đoạn 1996 -2001. Đến năm
2002, các thử nghiệm được thực hiện ở quy mô rộng hơn với sự tham gia của
nhiều trường đại học, viện nghiên cứu, các hãng sản xuất xe hơi lớn như Nissan,
Isuzu, Hino,…
7


Trung Quốc cho biết kế hoạch sản xuất một loại nhiên liệu là Dimethyl Ether,
loại nhiên liệu mới này thay thế cho diesel và dùng làm nhiên liệu cho xe buýt.
Việc sử dụng nhiên liệu này có thể tiết kiệm cho quốc gia 37.000 USD/năm.
Hiện nay Trung Quốc và Nhật Bản đã cho vận hành một số xe tải và xe buýt
diesel chạy bằng DME. Hãng Volvo đã có xe tải thử nghiệm thế hệ ba chạy bằng
DME, các công ty khác cũng đang thử nghiệm một số loại xe. Penn State đã sử
dụng loại xe chạy bằng DME đầu tiên để chuyên chở nhân viên trong khuôn
viên của mình vào năm 2002
Thiết kế và xây dựng hệ thống ứng dụng DME cho sản xuất DME

Dự án phát triển DME đang được nghiên cứu về mô hình dự trữ và hệ thống
ứng dụng, quá trình xây dựng và hoạt động của hệ thống ứng dụng và thùng dự
trữ DME, nhằm thiết lập một hệ thống an toàn cho hệ thống ứng dụng và thùng
dữ trữ DME. Về quan điểm kỹ thụât của việc nghiên cứu này là cạnh tranh an
toàn giữa các nguồn nhiên liệu truyền thống, khi nguồn nhiên liệu này có thể
biến đổi thành nguồn nhiên liệu mới “DME”

8


3. Đặc điểm của động cơ sử dụng DME

DME thích hợp với động cơ diesel do nhiệt độ đánh lửa thấp và chỉ số cetane
hợp lý.
DME không trộn lẫn với diesel nhưng lắp thêm bộ phận phụ trợ vào động cơ
diesel là có thể sử dụng được DME. Vì là chất khí ở điều kiện áp suất nhiệt độ
thường nên phải dùng bình áp suất để chứa DME lỏng. Điều này cũng có nghĩa là
trên xe và trạm phân phối nhiên liệu cần phải trang bị loại bình chịu áp suất (lưu ý
là áp suất bơm DME từ thùng vào động cơ phải được nâng cao hơn, từ 12 - 30 bar,
để tránh chúng bị tạo thành hơi)
Chỉ số cetane của DME cao hơn diesel dầu mỏ nên thời gian đánh lửa ngắn hơn
và vì thế cháy sạch hơn, không tạo ra bồ hóng trong động cơ diesel. Đây cũng là
một ưu thế của DME. Ngoài ra, động cơ diesel chạy bằng DME giảm tiếng ồn.
Nhược điểm ở nhiên liệu này là nhiệt lượng thấp hơn diesel.

9


So sánh một số chỉ tiêu giữa DME và dầu diesel
Tính chất nhiên liệu
Công thức hóa học
Trọng lượng phân tử (kg/kmol)
Chỉ số cetane
Khối lượng riêng (kg/l) ở 15oC
o

Trị giá năng lượng thấp hơn (MJ/kg) ở 15 C
Trị giá năng lượng thấp hơn (MJ/l) ở 15oC
Tỷ lệ không khí/ nhiên liệu (kg không khí/ kg nhiên
liệu)
Nhiệt độ tự đánh lửa (oC)

DME

Diesel

CH3OCH3

C12H26

46

170 - 200

55 - 60

50

0,67 (20oC)

0,84

28,4

42,7

18,8

35,7

9,0

14,53

235

250

III – Tổng hợp DME
1.

Nguồn nguyên liệu: khí tổng hợp

- Khí tổng hợp là hỗn hợp của Cacbon monoxide CO và hydrogen H2. Tỷ lệ CO và
H2 trong hỗn hợp tùy thuộc vào loại nguyên liệu tổng hợp tạo ra nó, phương pháp
điều chế và mục đích sử dụng
- Khí tổng hợp được điều chế từ nhiều nguồn khác nhau như khí thiên nhiên, các
phân đoạn dầu mỏ, than đá, hay từ sinh khối (biomass), than gỗ. Hai quá trình
chính dùng để điều chế là Stream Reforming và Oxi hóa không hoàn toàn.
- Phản ứng Stream Reforming đối với khí thiên nhiên.
CH4 + H2O

Ni, 700-800oC
30-50 atm

CO + 3H2

Tỷ lệ H2/CO giảm dần khi tăng mạch cacbon.
Ni, 700-800oC
30-50 atm

C7H16 + 7H2O

7CO + 15H2

-Phản ứng oxy hóa không hoàn toàn thực hiện không cần xúc tác nhưng điều điều
kiện phản ứng khác nghiệt nên không thông dụng
1200-1500oC
30-80 bar

10


CH4 + ½ O2 CO + 2H2
Tỷ lệ H2/CO2 của phản ứng oxi hóa không hoàn toàn thấp hơn so với Stream
Reforming ở cùng 1 loại nguyên liệu
2.

Phản ứng tổng hợp DME

2.1 Nhiệt động học phản ứng
- DME có thể được tổng hợp từ khí tổng hợp hai con đường:
Gián tiếp, với việc sử dụng hai thiết bị phản ứng khác nhau.
Syn Gas

Tổng hợp Methanol

Dehydrat hoá

DME

Trực tiếp, với hệ xúc tác lưỡng tính, trong cùng một thiết bị phản ứng
Syn Gas

-

Tổng hợp Methanol – xúc tác lưỡng tính

DME

Tuy bằng con đường nào, thì về bản chất đều trải qua các giai đoạn sau:
 Tổng hợp Methanol
CO + H2 CH3OH
(1.1)


Dehyrat hoá Methanol

CH3OH CH3OCH3 + H2O


(1.2)

Phản ứng tổng hợp

2CO + 4H2

CH3OCH3 + H2O

(1.3)

11




Nếu có phản ứng Water Gas Shift

CO + H2O


CO2 + H2

Thì phản ứng tổng là:

3CO + 3 H2
-

(1.4)

CH3OCH3 + CO2

(1.5)

Từ điều kiện về nhiệt động phản ứng, ta có thể rút ra vài nhận xét:
Đây là các phản ứng toả nhiệt, đặc biệt là giai đoạn phản ứng tổng hợp
Methanol, vì vậy cần kiểm soát nhiệt phản ứng tốt.
Cả hai phản ứng (1.3) và (1.5) đều tạo ra 2 phân tử sản phẩm từ 6 phân
tử của khí tổng hợp. Áp suất phản ứng cao hơn sẽ cho phép độ chuyển hoá
khí tổng hợp cao hơn. Trong quá trình thiết kế quy trình, áp suất phản ứng
tổng hợp DME trực tiếp khoảng 3 đến 7 MPa, tiêu chuẩn là 5 MPa.
Phản ứng tổng hợp xảy ra phụ thuộc rất lớn vào vai trò của phản ứng
Water Gas Shift. Do đó, ta phải phân tích điều kiện nhiệt động trong sự ảnh
hưởng của phản ứng WGS.

2.2

Cơ chế phản ứng
Tổng hợp DME theo phương pháp gián tiếp nhờ 2 giai đoạn riêng rẽ, song

như thế sẽ không hiệu quả. Trong khi đó, mô hình trực tiếp nhờ xúc tác lưỡng
tính sẽ cho hiệu quả cao về cả độ chuyển hoá và hiệu suất. Vì vậy, các vấn đề
tiếp theo được đề cập sẽ dựa trên phương pháp trực tiếp.


Cơ chế phản ứng tổng hợp DME trên xúc tác lưỡng tính [6]


Giai đoạn tổng hợp Methanol:
CO + s1 COs1
H2 + s2 2Hs2
COs1 + Hs2
HCOs1 +
HCOs1

+ Hs2

s2

(1.12)
(1.13)
(1.14)

H2COs1 + s2

(1.15)
12


H2COs1 + Hs2
H3COs1 + Hs2

H3COs1 + s2
CH3OH + s1 + s2

(1.16)
(1.17)

Với s1, s2 là hai tâm hoạt động khác nhau
 Giai đoạn Dehydrat hoá:
CH3OH(g)
CH3OH
(1.18)
O + CH3OH(a)
CH3OCH3 + OH
(1.19)
CH3OH(a) + CH3O(a)
CH3OCH3(g) + OH
(1.20)
CH3O(a) + CH3O(a)
CH3OCH3(g) + O
(1.21)
2OH
H2O(g) + O
(1.22)
Với O là oxit bề mặt được cho là che phủ bề mặt xúc tác và ‘a’ có thể là tâm
axit.
2.3

Hệ xúc tác lưỡng tính
Tác giả Qingjie Ge [8] đã nghiên cứu trên dãy xúc tác từ loạ không có γAl2O3, đến những xúc tác có γ-Al2O3 có thành phần CuO/ZnO khác nhau, và
thấy rằng, hoạt tính xúc tác rất thấp khi chỉ có thành phần CuO/ZnO, và tăng
đáng kể khi phân tán CuO/ZnO lên γ-Al2O3 hợp lí sẽ gây ra hiệu ứng cộng
hưởng, làm xúc tác hoạt động hơn. Như vậy, một xúc tác lưỡng tính điều chế
DME phải đảm bảo được 2 thành phần là pha tổng hợp Methanol (CuO/ZnO)
và tâm Dehydrat hoá (γ-Al2O3 hoặc Zeolite). Hệ xúc tác cơ bản đã được
nghiên cứu nhiều là hệ CuO-ZnO mang trên γ-Al2O3 hoặc H-ZSM-5.

13


IV – QUY TRÌNH SẢN XUẤT DME
1.

Sơ đồ quy trình công nghệ

Sơ đồ quy trình nhà máy tổng hợp DME 100 tấn/ngày - JFE Technical Report
No. 8 (Oct. 2006).
Nhà máy này đã được thiết kế để thực hiện các thử nghiệm trình diễn thương mại
hóa quy trình JFE sử dụng khí tự nhiên làm nguyên liệu. Khí tự nhiên nguyên liệu
được cung cấp dưới dạng LNG từ mỏ khí Yufutsu ở Hokkaido. Khí tự nhiên phản
ứng trong ATR (Auto – thermal reformer) cùng với oxy, hơi nước và CO 2 được
hoàn lưu từ quá trình hạ lưu. ATR hoạt động ở áp suất 2,3 MPa và hình thành khí
tổng hợp với tỷ lệ H2/CO = 1. Khí tổng hợp được nén tới 5 MPa. Sau khi CO 2 tạo ra
trong quá trình reforming được loại bỏ bởi tháp hấp thụ CO 2, khí tổng hợp được
cung cấp cho thiết bị phản ứng. Trong thiết bị phản ứng, ở 260 oC DME và CO2
được hình thành bởi tác động của chất xúc tác. Khí tổng hợp không phản ứng được
phân tách bằng bộ tách khí lỏng và được hoàn lưu về thiết bị phản ứng. Các thành
phần chất lỏng được đưa đến tháp tách CO 2, CO2 tách ra được hoàn lưu về ATR.
Sau khi CO2 được tách ra khỏi DME thô, methanol được loại bỏ bằng tháp DME,
và DME kết quả được lưu trữ trong bể chứa làm DME sản phẩm. Trong xử lý
methanol, sau khi tách nước trong cột methanol, metanol được đưa về thiết bị phản
ứng và chuyển thành DME.
14


3.

Thiết bị phản ứng dạng huyền phù Slurry
Cấu tạo gồm có bình phản ứng, ống truyền nhiệt đi bên trong. Dung môi trơ có
nhiệt dung lớn được sử dụng làm môi trường tải nhiệt. Xúc tác dạng bột mịn sẽ
được phân tán vào hệ dung môi. Khí tổng hợp sục từ dưới lên với vận tốc thể
tích thích hợp. Ưu điểm của thiết bị Slurry là việc giải nhiệt và kiểm soát nhiệt
độ được thực hiện khá hiệu quả. Trở lực truyền khối cao, nên làm giảm khả
năng tiếp xúc pha rắn khí của hệ phản ứng, làm giảm hiệu quả của phản ứng.

Hình :Thiết bị phản ứng dạng huyền phù Slurry
4.

Các thông số của quá trình
Phản ứng tổng hợp DME trên xúc tác lưỡng tính là một quá trình xúc tác dị

thể gồm nhiều giai đoạn. đặc điểm chung là phản ứng tỏa nhiệt mạnh và làm
giảm số mol khí. Do đó phải đòi hỏi xảy ra ở nhiệt độ vừa phải nhưng áp suất
phải đủ lớn và tăng áp suất sẽ tăng hiệu quả quá trình. Vận tốc thể tích tăng cũng
làm giảm hiệu quả quá trình. Mặc dù điều kiện phản ứng khác nhau nhưng kết
quả tương đối phù hợp nhau.
4.1

Tỉ lệ dòng nhập liệu:
15


Tỉ lệ, H2/ CO thích hợp là từ 1-2 nhưng tỉ lệ này gần về 1 sẽ cho độ chuyển hóa
thích hợp hơn. Đồ thị sau cho thấy điều này:

Nếu tăng tỉ lệ H2/CO quá cao thì độ chuyển hóa CO sẽ tăng, nhưng độ chọn lọc
sẽ giảm. điều này là do tăng tỉ lệ H2/CO thì tỉ lệ tốc độ phản ứng Methanol hóa
tăng nhưng tốc độ phản ứng giảm, làm H2O tạo ra trong phản ứng Dehydrat hóa
không được tiêu thụ bởi WGSR nên làm giảm độ chọn lọc.

16


4.2

Ảnh hưởng của áp suất
Được thể hiện qua giản đồ sau

Nhìn chung độ chuyển hóa CO tăng theo sự tăng của áp suất. Ta thấy độ
chuyển hóa CO cao nhất ở 260 và áp suất 5MPa.
4.3

Ảnh hưởng của nhiệt độ

Sự phụ thuộc của độ chuyển hóa và độ chọn lọc vào nhiệt độ được thể hiện qua
đồ thị sau:

Nhiệt độ tăng thì độ chuyển hóa và độ chọn lọc tăng do tăng tốc độ phản ứng
Dehydrat hóa Methanol. Tuy nhiên sự tăng theo nhiệt độ bị giới hạn về mặt
17


nhiệt động của các phản ứng, đặc biệt là phản ứng Methanol hóa do đây là phản
ứng tỏa nhiệt. ngoài ra, còn do sự giảm hoạt tính xúc tác, nên ta có khoảng nhiệt
độ tối ưu cho phản ứng là 200-3000C.
4.4

Ảnh hưởng của tốc độ dòng

Ta có đồ thị minh họa ảnh hưởng của tốc độ dòng như sau:

18


Ta thấy rằng tốc độ dòng, sẽ làm giảm độ chuyển hóa và độ chọn lọc, điều này
là do sự giảm thời gian tiếp xúc với xúc tác của tác chất.

19


V – ƯU & NHƯỢC ĐIỂM DME
1.

Ưu điểm:
• Về vấn đề kỹ thuật:

DME có thể chuyển từ khí thành lỏng (do nhiệt độ sôi -25,1 oC). Nó ít gây độc
hại và độ an toàn cao.
DME là năng lượng sạch có giá trị trung bình, sản xuất từ khí tự nhiên, khí
methane, khí tổng hợp sản xuất bởi các loại khí của carbon…
So với nhiên liệu diesel từ dầu mỏ, DME có chỉ số cetane cao hơn (55-60 so với
40-45), nhiệt độ bắt lửa thấp hơn (235 oC so với 250oC). Nên thời gian đánh lửa
ngắn hơn và vì thế cháy sạch hơn, không tạo ra bồ hóng trong động cơ diesel,
không tạo ra khói. Theo đánh giá của các chuyên gia, khi sử dụng DME làm nhiên
liệu, các phương tiện giao thông vận tải không gặp trở ngại về nguyên tắc nào.
Theo các nhà nghiên cứu Nhật Bản, khi sử dụng DME làm nhiên liệu cho động cơ
tuốc-bin khí, thì hiệu quả kinh tế lớn hơn so với sử dụng khí nén. Ngoài ra động cơ
diesel chạy bằng DME giảm tiếng ồn. Đây cũng là một trong những đặc điểm chính
của động cơ chạy bằng DME.
Từ DME có thể thu được xăng chất lượng cao qua hai phản ứng là dehydate hóa
thành etylen và tiếp theo là olygome hóa etylen thành hydrocarbon lỏng, tức là
xăng. Theo các nhà nghiên cứu Nga, quá trình đó có thể xảy ra trong một thiết bị
phản ứng, hay hai thiết bị phản ứng nối tiếp nhau. Xăng thu được theo con đường
đó có chất lượng rất tốt:
Chỉ số octan 92 – 93
Hàm lượng benzen 0,04%
Hàm lượng isoparafin 70%
Hydrocarbon không no 1%

20


Về vấn đề môi trường



DME là nguồn nhiên liệu sạch, ít độc, không chứa lưu huỳnh và kim loại nặng,
nó không thải ra khí SOx, khi đốt cháy giảm thiểu ảnh hưởng của môi trường.
Các tính chất lý học của DME khá giống với LPG. DME là chất khí ở nhiệt độ
và áp suất không khí, nhưng ở 20 oC và áp suất 5 bar, nó là chất lỏng. Điểm sôi ở áp
suất thường là -25oC. DME có thể trộn với nhiều dung môi hữu cơ và hòa tan tốt
trong nước. DME rất sạch
DME an toàn hơn Methanol, cháy với ngọn lửa có thể nhìn thấy.
Khí thải từ động cơ dùng DME không có muội than, hàm lượng NO x thấp hơn
nhiều so với tiêu chuẩn cho phép. Nói chung, khí thải từ đốt cháy DME không đòi
hỏi làm sạch.
Sử dụng DME trong đun nấu chỉ thải ra lượng khí CO 2 chưa bằng 40% so với
đốt than trực tiếp. Sản xuất DME còn giúp giảm bớt hiện tượng ấm lên trên toàn
cầu do không tạo ra khí CO2 đen, nhân tố gây ra hiệu ứng nhà kính cao gấp 2-3 lần
so với CO2. Thực tế cho thấy thay thế than bằng nhiên liệu sạch trong đun nấu và
làm nóng có lợi cho sức khỏe con người, quy trình DME ít tiêu tốn năng lượng và
tạo ra sản phẩm DME, là loại nhiên liệu đặc biệt được sử dụng ngày càng nhiều
trên thế giới.
Quá trình chuyển hóa nước đen và than thành DME tạo ra ít phát thải CO 2 vào
khí quyển so với chỉ sử dụng than để sản xuất nhiên liệu. Một phần carbon từ các
nguồn này còn nằm ở dạng rắn sẽ không gây ra nóng lên toàn cầu. Một lý do nữa
khiến chúng ta đồng xử lý than và dịch đen chính là kéo dài thời gian tồn tại nguồn
nhiên liêu dự trữ.


Về tính kinh tế

Có thể giữ bình ổn và hạ thấp giá thành các nhiên liệu truyền thống
Các chuyên gia thị trường tiêu thụ nhiên liệu cho biết nhiên liệu DME có thể sản
xuất dùng thay thế dầu diesel. Theo số liệu của JFE thì với quy mô sản xuất 100
21


tấn/ ngày, giá thành DME tính theo đơn vị năng lượng cũng chỉ tương đương so với
gas hóa lỏng LNG và thấp hơn dầu diesel, gas LPG
Song điều quan trọng nhất là nguồn nguyên liệu đầu vào để sản xuất DME rất
phong phú, có thể từ khí tự nhiên, dầu nặng phế thải hoặc khí metan tận thu từ quá
trình xử lý chất thải, v.v…
Từ những năm 1995, DME được xem là nhiên liệu diesel sạch và được
khẳng định là “nhiên liệu của thế kỷ XXI”
2.

Nhược điểm

Hạn chế của dạng nhiên liệu mới này là việc sử dụng nó phức tạp hơn so với
xăng dầu và nhiệt lượng thấp hơn diesel.
DME không trộn lẫn với diesel nhưng lắp thêm bộ phận phụ trợ vào động cơ
diesel là có thể sử dụng được DME. Vì là chất khí ở điều kiện áp suất nhiệt độ
thường nên phải dùng bình áp suất để chứa DME lỏng. Điều này cũng có nghĩa là
trên xe và trạm phân phối nhiên liệu cần phải trang bị loại bình chịu áp suất. Cần
lưu ý là áp suất bơm DME từ thùng vào động cơ phải được nâng cao hơn, từ 12 30 bar, để tránh chúng bị tạo thành hơi.
Quá trình chuyển đổi từ than đá thành DME tốn rất nhiều nước (Để cho ra 1 tấn
DME phải cần đến 3 tấn nước).

VI - CÁC CHƯƠNG TRÌNH PHÁT TRIỂN DME TRÊN THẾ GIỚI
Nhật Bản và chương trình nhiên liệu mới – DME
Cồn nhiên liệu và Dimethyl Ether (DME) là những loại nhiên liệu được quan
1.

tâm ở Nhật Bản. Sau đây, chúng tôi xin giới thiệu về chương trình DME của Nhật
Bản.
Dimethyl Ether (DME) có công thức hóa học là C2H6O. DME được tổng hợp từ
khí carbon monoxit và hydro theo 2 phương pháp sau:
- Phương pháp cổ điển: Dehydate Methanol.
22


CO + H2

-->

CH3OH -->

CH3OH
CH3-O-CH3 + H2O

- Phương pháp hiện đại: Tổng hợp trực tiếp.
Phương pháp tổng hợp trực tiếp mới chỉ được nghiên cứu trong vòng hơn mười
năm trở lại đây, nó cho phép điều chế DME trực tiếp từ carbon monoxit và hydro
trên những loại chất xúc tác đặc biệt. Hiện nay, 2 hãng Air Product and Topsoe
Haldor (EU) và JFE (Nhật Bản).
2CO + 4H2 -->
3CO + 3H2

--->

CH3-O-CH3 + H2O (Topsoe Haldor)
CH3-O-CH3 + CO2 (JFE)

Sau khi đã có được những kết quả nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm, trong
giai đoạn XIX97 - 2000, công ty JFE cùng với Trung tâm sử dụng than đã xây dựng
và chạy thử dây chuyền sản xuất DME công suất 5 tấn/ngày.
Công ty “DME development Co.Ltd” do ông Yotaro Ohno sáng lập vào tháng
12/2001 với mục tiêu để hỗ trợ cho việc nghiên cứu phát triển và thương mại hóa
sản phẩm nhiên liệu mới - DME. Đây là một công ty cổ phần với sự góp vốn của 10
tập đoàn, công ty lớn của Nhật Bản thuộc nhiều lĩnh vực chuyên môn khác nhau
như nhiên liệu, thương mại, sản xuất xe hơi, điện tử...
Tháng 7 năm 2002, một nhà máy sản xuất DME từ khí tự nhiên công suất 100
tấn/ngày - công suất lớn nhất thế giới ở thời điểm đó đã được xây dựng tại thành
phố Kushiro. Ngày XIX tháng 11 năm 2002, nhà máy chính thức chạy thử nghiệm.
Sau hơn 1 tháng rưỡi hoạt động liên tục, người ta đã thu được 1240 tấn DME chất
lượng khá tốt với độ tinh khiết khoảng 99,5% để chuẩn bị cho việc sử dụng thử
nghiệm.
Công ty “DME development Co. Ltd” sẽ tiếp tục nghiên cứu, sản xuất thử
nghiệm để hoàn thiện công nghệ và sớm đưa vào sản xuất ở quy mô đại trà. Nhật
Bản dự kiến sẽ sản xuất và tiêu thụ khoảng 200.000 tấn DME/ năm vào năm 2006
và sẽ tăng lên 300.000 tấn/ năm trong vài năm sau đó.
23


Phương pháp tổng hợp trực tiếp DME mới chỉ thực hiện được trong những năm
gần đây nhờ những thành tựu đạt được trong lĩnh vực về các chất xúc tác. Phương
pháp mới này cho phép giảm giá thành sản xuất DME và khả năng sử dụng DME
thay thế cho nhiên liệu truyền thống trở thành hiện thực. Nhật Bản đang gấp rút
thực hiện chương trình DME như là một trong những giải pháp giảm thiểu ô nhiễm
môi trường và đa dạng hóa các nguồn năng lượng, góp phần tăng cường an ninh
năng lượng.
Tuy còn tồn tại một số vấn đề cần giải quyết trước khi đưa vào sản xuất hàng
loạt, nhưng người ta tin chắc rằng chương trình DME của Nhật Bản sẽ thành công,
nhất là trong giai đoạn hiện nay khi giá dầu mỏ tăng rất cao và do áp lực của cơ chế
phát triển sạch (CDM) mà các nước công nghiệp hàng đầu trên thế giới sẽ phải thực
hiện.
Chương trình DME không chỉ có riêng ở Nhật Bản mà còn được tiến hành ở một
số nước khác như Đan Mạch, Mỹ, Hà Lan, áo... Do nhận thức được vai trò quan
trọng của nhiên liệu DME trong tương lai, các nước này cũng đã triển khai chương
trình DME của riêng mình từ khoảng mười năm gần đây.
Chương trình biến than đá thành nhiên liệu xanh ở Trung Quốc
Cung ứng 25% nhu cầu năng lượng của thế giới với trữ lượng dồi dào và rộng
2.

khắp trong khi giá cả lại tương đối rẻ, than đá được xem là nguồn nhiên liệu “tình
thế” trong giai đoạn nhân loại đang cố gắng tách khỏi sự lệ thuộc vào dầu-khí và
chuyển dần sang các dạng nhiên liệu bền vững, thân thiện với môi trường như năng
lượng mặt trời và gió.
Trước thực trạng dầu-khí luôn biến động giá và nguồn cung không ổn định, than đá
được dự báo sẽ đóng vai trò chủ chốt trong việc đáp ứng nhu cầu năng lượng của
thế giới trong vòng 20 năm nữa. Để đảm bảo an ninh năng lượng, hiện nay không
chỉ các nước tiêu thụ năng lượng hàng đầu như Mỹ, Trung Quốc, Ấn Độ mà nhiều
nước khác cũng đang tích cực nghiên cứu phát triển các công nghệ biến đổi than đá
24


- vốn rất gây ô nhiễm cho môi trường - thành những dạng năng lượng sạch thay thế
xăng dầu. Đi đầu trong xu hướng này là Trung Quốc - quốc gia sản xuất và tiêu thụ
than đá lớn nhất thế giới hiện nay.
Theo kế hoạch phát triển khoa học công nghệ quốc gia của Trung Quốc công bố
hồi tháng 2 năm nay thì trong vòng 15 năm tới nền kinh tế lớn thứ 4 thế giới sẽ ưu
tiên phát triển các công nghệ biến than đá – nguồn tài nguyên có trữ lượng dồi dào
nhất hiện nay của nước này - thành nhiều dạng nhiên liệu sạch. Một trong số đó là
công nghệ hút khí carbon đioxit (CO2) sinh ra trong quá trình đốt than đá nhằm đạt
mức thải CO2 gần bằng không.
Hiện nay, Trung Quốc đang đẩy mạnh phát triển Dimethyl Ether (DME), một loại
khí đốt được chuyển hóa từ than đá, thành nhiên liệu chủ lực thay thế diesel. Trong
điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường, DME có thể được nén thành dạng lỏng
và có thể sử dụng thay thế diesel với mức thải CO2 tương đối thân thiện với môi
sinh. Các nhà nghiên cứu Trung Quốc cũng đã chế tạo các loại xe vận hành bằng
DME. Tuy nhiên, vấn đề hiện nay là tìm cách giảm chi phí sản xuất DME và hạn
chế sử dụng nước trong quá trình chuyển đổi (để cho ra 1 tấn DME phải cần đến 3
tấn nước).
Giới chuyên môn dự đoán Trung Quốc có thể tự phát triển công nghệ hóa khí than
đá trong vòng 5 năm nữa và giá thành phẩm khi đó sẽ rẻ hơn 50% so với thị trường
thế giới. Các công ty Trung Quốc cũng đang tích cực tham gia vào các dự án
nghiên cứu và thí điểm công nghệ than sạch. Đáng chú ý là dự án hóa lỏng than đá
để trích lấy dầu đang được tập đoàn Shanxi Luan triển khai ở tỷnh Sơn Tây – một
trong những “vựa” than của Trung Quốc. Trong khi đó, tập đoàn China Huaneng,
nhà sản xuất điện bằng than đá lớn nhất đại lục, đang liên kết với các đối tác trong
và ngoài nước để thi công và vận hành nhà máy điện chạy bằng than đá không thải
CO2 đầu tiên trên thế giới.
25


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×