Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu sử dụng hỗn hợp nhiên liệu Bio-oils/Biodiesel trên động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ

Hình 3-19. Đồ thị phát thải HC ................................................................................. 84 Hình 3-20. Đồ thị phát thải khói ............................................................................... 86

1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong điều kiện nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt như hiện nay, giá nhiên liệu tăng cao thì việc hợp tác nghiên cứu tìm ra nguồn năng lượng mới, năng lượng tái tạo thay thế nguồn năng lượng truyền thống như hiện nay là một giải pháp cấp thiết, mang ý nghĩa hết sức to lớn đối với vấn đề an toàn năng lượng trên Thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. Nắm bắt được xu hướng chung của Thế giới và thực hiện sự chỉ đạo của Chính phủ, Việt Nam đã tích cực triển khai nghiên cứu, sản xuất, thử nghiệm các loại nhiên liệu mới. Kết quả là năm 2010, Việt Nam đã sử dụng một phần nhiên liệu xăng ethanol E5 và dầu diesel sinh học B5 trong giao thông vận tải. Theo các chuyên gia năng lượng, nguồn nhiên liệu sinh học rất đa dạng và phong phú, giúp con người không còn phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch như hiện nay. Theo chương trình năng lượng của Chính phủ đã ký quyết định phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” tính cấp thiết của loại nhiện liệu mới có nhiều ưu điểm nổi bật hơn so với loại nhiên liệu truyền thống (dầu, than, đá ..). Bởi tính thân thiện với môi trường, ít hàm lượng khí gây hiệu ứng nhà kính, ô nhiễm môi trường là một trong những ưu điểm của loại nhiên liệu mới. Trong tương lai, khi nguồn nhiên liệu truyền thống cạn kiệt, nhiên liệu sinh học chính là nguồn thay thế. Chính vì thế việc tìm kiếm một nguồn nhiên liệu mới dồi dào hơn, bền vững hơn, ít gây ô nhiễm môi trường, hiệu ứng nhà kính và thân thiện với môi trường cũng là nhiệm vụ, cũng là cơ hội để làm chủ nguồn nhiên liệu mới. Theo chỉ đạo của Chính phủ về chương trình nhiên liệu sinh học, mục tiêu phát triển nhiên liệu sinh học, một dạng năng lượng mới, tái tạo được để thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch truyền thống, góp phần bảo đảm an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường là định hướng mang tính chiến lược. Trong ngành hàng hải, phần lớn các con tàu đang khai thác hiện nay đều sử dụng động cơ diesel làm thiết bị động lực để quay chân vịt, lai máy phát điện hoặc

2 các thiết bị khác. Đây là hộ tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch rất lớn và có mức phát thải cao ra môi trường khiến chúng ta đều đang rất quan tâm. Một trong những loại nhiên liệu thay thế có khả năng tái tạo và được đánh giá thân thiện với môi trường hiện nay là nhiên liệu sinh học. Dạng nhiên liệu này đã và đang được nghiên cứu, sử dụng rất rộng rãi cho động cơ đốt trong trên các phương tiện giao thông đường bộ. Còn trong lĩnh vực hàng hải thì loại nhiên liệu này chủ yếu được sử dụng dưới dạng hòa trộn với nhiên liệu hóa thạch cho các động cơ thế hệ mới hoặc hoán cải. Cho nên việc sử dụng còn hạn chế và gặp khó khăn. Đề tài: “Nghiên cứu sử dụng hỗn hợp nhiên liệu Bio-oils/Biodiesel trên động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ”, là một giải pháp rất khả thi và có tính ứng dụng cao, đề tài có ý nghĩa thực tiễn, phù hợp với định hướng phát triển nhiên liệu sinh học của Việt Nam. Góp phần vào giải quyết vấn đề hạn chế sử dụng nhiên liệu truyền thống gây ô nhiễm môi trường, hạn chế việc khai thác khoáng sản tự nhiên. Thúc đẩy mạnh mẽ việc sử các loại nhiên liệu mới thân thiện với môi trường trên các động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ và trên vận tải đường bộ hiện nay. 2. Mục đích và yêu cầu của đề tài 2.1. Mục đích Với mục đích phát triển nguồn nhiên liệu sinh học, một dạng năng lượng mới, tái tạo được thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch truyền thống. Đó là mục đích của đề tài nghiên cứu khả năng sử dụng hỗn hợp nhiên liệu Bio-oils/Biodiesel trên động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ. 2.2. Yêu cầu của đề tài - Xây dựng tính toán, thiết kế thiết bị hòa trộn-hâm nóng, thử nghiệm đối với hỗn hợp nhiên liệu Bio-oils/Biodiesel. - Kết quả mổ phỏng hỗn hợp nhiên liệu Bio-oils/Biodiesel so sánh đối chứng với nhiên liệu truyền thống diesel (DO). - Từ đó có các đánh giá, nhận định về việc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu Bio- oils/Biodiesel trên động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ.

3 3. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiến 3.1. Ý nghĩa khoa học - Với kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở khẳng định việc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu Bio-oils/Biodiesel trên động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ, có ý nghĩa quan trọng trong việc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu mới và góp phần vào sự phát triển nguồn nhiên liệu mới đã và đang được sử dụng hiện nay và trong tương lai. - Ngoài ra cũng khẳng định việc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu Bio- oils/Biodiesel trên động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ sẽ mang lại hiệu quả kinh tế, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và góp phần làm phong phú nguồn nhiên liệu sử dụng cho động cơ diesel. 3.2. Ý nghĩa thực tiễn Đánh giá hiệu quả việc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu Bio-oils/Biodiesel trên động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ có ý nghĩa hết sức quan trọng. Đó chính là một trong các giải pháp để đưa kết quả nghiên cứu được ứng dụng trực tiếp cho các động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ ở Việt Nam mà không cần tiến hành hoán cải hoặc sửa chữa lớn đối với bản thân động cơ. Điều này một mặt giúp cho các công ty vận tải thủy giảm đáng kể sự phụ thuộc vào việc nhập khẩu nhiên liệu và mặt khác cũng giảm được phát thải các chất độc hại gây ô nhiễm môi trường. Thay thế một phần việc sử dụng loại nhiên liệu truyền thống cho một số động cơ diesel tàu thủy. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4.1. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng của đề tài là nghiên cứu sử dụng hỗn hợp nhiên liệu bio- oils/biodiesel trên động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ. 4.2. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu là tính toán, thiết kế thiết bị hòa trộn-hâm nóng đối với hỗn hợp nhiên liệu bio-oils/biodiesel, từ đó đánh giá kết quả thử nghiệm đối với hỗn hợp nhiên liệu bio-oils/biodiesel sử dụng trên động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ.

4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUA VỀ ĐỀ TÀI 1.1. Quá trình phát triển và sử dụng động cơ diesel trên Thế giới và việt Nam Động cơ diesel tàu thủy là động cơ đốt trong, sự cháy của nhiên liệu dầu diesel xảy ra trong buồng đốt khi piston đi tới gần điểm chết trên trong kỳ nén, nhiên liệu được phun vào, hòa trộn, bốc hơi và bốc cháy dưới tác động của nhiệt độ và áp suất cao của không khí nén. Động cơ diesel do một kỹ sư người Đức, ông Rudolf Diesel phát minh ra vào năm 1892. Chu trình làm việc của động cơ cũng được gọi là chu trình Diesel. Trên Thế giới với sự phát triển lớn mạnh của các ngành công nghiệp, chế tạo ngay từ rất lâu cho nên việc sử dụng động cơ diesel vào trong các ngành nông nghiệp, công nghiệp, giao thông vận rất rộng rãi, với công suất và quy mô lớn. Không chỉ những nước công nghiệp phát triển đã ứng dụng sớm mà còn luôn luôn cải tiến để đáp ứng với như cầu phát triển ở trên Thế giới hiện nay. Từ những động cơ thô sơ, kết cấu lớn, cồng kềnh qua thời gian đã trở thành những động cơ nhỏ gọn, đẹp về hình dáng, mẫu mã, hiện đại trong hệ tự động điều khiển và khai thác. Do những ưu điểm của động cơ diesel hơn so với động cơ xăng như hiệu suất động cơ cao hơn, nhiên liệu rẻ tiền hơn, sử dụng được các loại hỗn hợp nhiên liệu và chất lượng cũng không phải quá khắt khe nên động cơ diesel được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành, nhiều lĩnh vực. Trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa ngày này việc sử dụng các loại động cơ diesel cỡ nhỏ có vai trò quan trọng, góp phần vào sự phát triển của nền kinh tế quốc dân trong các lĩnh vực như sản xuất chế biến, trong ngành nông nghiệp, ngành giao thông vận tải đường bộ, đường thủy…. Để động cơ diesel cỡ nhỏ hoạt động hiệu quả, đáp ứng yêu cầu trong các lĩnh vực khai thác, sản xuất thì bên cạnh việc chế tạo cải tiến về kết cấu động cơ nhằm nâng cao công suất, chỉ tiêu về kinh tế, cần có các công trình nghiên cứu khác như sản xuất nhiên liệu mới, nhiên liệu sinh học thay thế một phần nhiên liệu truyền thồng và thân thiện, không ô nhiễm môi trường, gây hiệu ứng nhà kính. Các nghiên cứu đó đã và đang được các nước, các tổ chức và các nhà khoa học trên Thế giới nghiên cứu rất nhiều và đưa

5 vào ứng dụng với mục đích là thân thiện với môi trường và giảm thiểu lượng khí thải độc hại ra môi trường vv… Tại Việt Nam hiện nay động cơ diesel cũng đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các ngành nông nghiệp, công nghiệp, giao thông vận tải đường bộ, đường thủy từ rất lâu. Việt Nam là một đất nước nhỏ chiến tranh kéo dài, hiện tại chúng ta là một nước đang phát triển với nền nông nghiệp, công nghiệp, giao thông vận tải lạc hậu, còn non trẻ…. Việc phát triển luôn tụt hậu, cách xa hơn nhiều so với các nước trong khu vực và trên Thế giới trong mọi lĩnh vực, chính vì điều đó việc ứng dụng các công nghệ, sản phẩm công nghiệp trên Thế giới vào trong nước luôn được Nhà nước quan tâm, đầu tư mạnh mẽ, nhất là đối với các nhà đầu tư việc tạo ra sản phẩm mang tính ưu việt thì việc áp dụng máy móc hiện đại vào sản xuất được ưu tiên phát triển. Trong đó động cơ diesel cỡ nhỏ được chú trọng phát triển và ứng dụng vào thực tế trong các ngành sản xuất, phát triển như đối với một số loại xe ô tô của hãng Hyundai, Mercedes vv… Theo xu hướng phát triển chung ở trên Thế giới cũng như ở Việt Nam thì trong những năm tiếp theo việc sử dụng các động cơ diesel cỡ nhỏ thế hệ mới được quan tâm phát triển mạnh mẽ bởi tính ưu việt như tiết kiệm nhiên liệu, hoạt động êm và không ô nhiễm môi trường. Trong lĩnh vực nông, lâm ngư nghiệp động cơ diesel cỡ nhỏ được dùng làm nguồn động lực để làm đất, bơm nước, nghiềm thức ăn gia súc, máy xay sát vv.. Động cơ diesel cỡ nhỏ cũng được làm hỗn hợp máy kéo, máy phát điện trên bờ cho các công ty, xí nghiệp nhà máy vv… Hầu hết động cơ diesel cỡ nhỏ hoạt động ở tốc độ ổn định và gần sát với vòng quay thiết kế, công suất phù hợp với các ngành, lĩnh vực sản xuất, khai thác ở trên bờ. Cấu tạo của động cơ cũng đơn giản, dễ sử dụng, sửa chữa, khai thác và bảo quản bảo dưỡng. Trong lĩnh vực đường thủy động cơ diesel được sử dụng rộng rãi trên tất cả các con tàu mặt nước và kể cả tàu ngầm trong lĩnh vực quân sự. Chính những ưu điểm của động cơ diesel hơn so với động cơ xăng cho nên các nhà máy đóng tàu, các nhà chế tạo sản xuất động cơ diesel, nhà đầu tư và khai thác sử dụng đã đặt niềm tin vào động cơ diesel. Động cơ diesel được lắp đặt ở dưới tàu thủy làm động

6 lực để đẩy tàu, lai máy phát điện, lai bơm… Tùy thuộc vào từng mục đích sử dụng mà động cơ diesel lắp ở dưới tàu có nhiều loại công suất khác nhau như động cơ chậm tốc công suất lớn, động cơ cao tốc, động cơ trung tốc và động cơ công suất nhỏ. Cùng với đó là nguồn nhiên liệu sử dụng cho động cơ cũng có nhiều như nhiên liệu nhẹ (DO), nhiên liệu nặng (FO) và các loại nhiên liệu hòa trộn giữa nhiên liệu (DO) với các loại dầu thực vật và động vật. Ngày nay tất cả tiến bộ về khoa học công nghệ, sản xuất chế tạo động cơ diesel đều mong muốn tạo ra những thế hệ động cơ mới đáp ứng với nhu cầu, mục đích sử dụng của con người, đáp ứng với điều kiện khai thác và đặc biệt là đáp ứng được vấn đề khí thải không gây ô nhiêm môi trường, hiệu ứng nhà kính. Trong đó là động cơ sử dụng các loại nhiên liệu mới, nhiên liệu sinh học thay thế nhiên liệu truyền thống là một yêu cầu mang tính cấp thiết. Việc bước đầu đưa các loại nhiên liệu mới, nhiên liệu sinh học vào sử dụng trên động cơ diesel là các động cơ diesel công suất nhỏ trên tàu thủy. 1.2. Tổng quan về nhiên liệu sử dụng cho động cơ diesel tàu thủy 1.2.1. Những đặc tính riêng của động cơ diesel tàu thủy Động cơ diesel lắp trên tàu thủy thường đảm nhận chức năng làm động cơ chính lai chân vịt hoặc động cơ phụ lai máy phát điện, hoặc lai các thiết bị phụ động lực khác. Ngoài những đặc điểm cấu tạo chung, động cơ diesel tàu thủy có nhiều đặc điểm riêng biệt so với các động cơ diesel lắp cố định hoặc trang bị trên các phương tiện giao thông vận tải đường bộ. Điều này xuất phát từ yêu cầu đặc biệt về tính năng, chế độ làm việc, điều kiện khai thác và lắp đặt cũng như các quy định hiện hành của nhà chế tạo. Trên thực tế phân loại động cơ diesel tàu thủy theo vòng quay và công suất thành 3 loại như (bảng 1.1). Bảng 1.1. Phân loại động cơ diesel tàu thủy THÔNG SỐ KỸ THUẬT LOẠI ĐỘNG CƠ DIESEL Cao tốc 4 kỳ Trung tốc 4 kỳ Thấp tốc 2 kỳ Tốc độ trung bình của piston [m/s] > 8,5 6,5 ÷ 8,5 ≤ 6,5

7 Tốc độ vòng quay trục khuỷu [v/p] 960 ÷ 3000 400 ÷ 1000 50 ÷ 250 Công suất [kW] Đến 5000 500 ÷ 30.000 1.500÷100.000 Động cơ diesel dùng làm động cơ chính lai chân vịt, lai máy phát điện, lai các thiết bị phụ, có khả năng hoạt động ổn định, tin cậy trong một thời gian dài, liên tục, trong môi trường thường xuyên thay đổi về điều kiện vật lý (nhiệt độ, độ ẩm …) và hóa học (tỷ lệ muối trong không khí). Với những yêu cầu cao về độ an toàn, độ tin cậy, tính kinh tế các hãng sản xuất. Ngoài những động cơ có vòng quay cao, công suất lớn được phân loại ở bảng trên thì trên các tàu quân sự, tàu du lịch, dịch vụ cũng đang sử dụng rất nhiều động cơ có công suất nhỏ để lai máy phát điện sự cố. Không chỉ trong ngành vận tải đường thủy và quân sự, trong ngành giao thông vận tải đường bộ thì động cơ có công suất nhỏ cũng được sử dụng rất nhiều trên các phương tiện, công trình, nhà máy, xí nghiệp. Trong quá trình thiết kế và chế tạo, vòng quay công tác của động cơ sẽ quyết định thời gian cấp nhiên liệu vào động cơ và theo đó là loại nhiên liệu thích hợp. Để thấy được bức tranh nhiên liệu sử dụng cho động cơ thể hiện trên (bảng 1.2), lấy giá trị vòng quay của một số loại động cơ tiêu biểu để tính toán và cho thấy thời gian cấp nhiên liệu vào động cơ phụ thuộc vào tốc độ làm việc của chúng. Bảng 1.2. Thời gian cấp nhiên liệu phụ thuộc vào tốc độ làm việc Thông số Loại động cơ 3000 v/p 1500 v/p 600 v/p 94 v/p Thời gian phun nhiên liệu/ 30 0 GQTK/[s] 0,0016 0,0033 0,0083 0,044 Số lần phun nhiên liệu trong một giây 25 12,5 5 1,566 Từ những số liệu trên cho thấy: - Động cơ diesel tốc độ cao (từ 1500-3000 v/p), thời gian cấp nhiên liệu vào động cơ rất ngắn và chỉ xảy ra trong vòng từ 0,0016 đến 0,0033 giấy. Đối với loại

8 động cơ này, nhiên liệu được sử dụng là dầu diesel nhẹ MGO (marine gas oil) với chất lượng cao và giá thành tương đối đắt. Nếu sử dụng dầu nặng HFO (heavy fuel oil) với chất lượng kém hơn sẽ gây ảnh hưởng xấu đến quá trình công tác của động cơ, bởi vì dầu nặng cần thời gian bốc hơi dài hơn để hòa trộn với không khí tạo thành hỗn hợp cháy hoàn chỉnh. - Đối với động cơ diesel tốc độ trung bình và thấp (từ 600 đến 94 v/p), thời gian cấp nhiên liệu sẽ dài hơn so với động cơ cao tốc và xảy ra từ 0,0083 đến 0,044 giấy. Với đặc tính như vậy động cơ diesel loại này có thể sử dụng được nhiên liệu nặng với chất lượng và giá thành thấp hơn. Với những đặc điểm kỹ thuật như trên động cơ diesel tàu thủy thường khá dễ tính trong quá trình sử dụng các nhiên liệu khác nhau, từ nhiên liệu chưng cất đến nhiên liệu nặng. Thực tế nhằm tăng tính kinh tế trong quá trình khai thác đối với động cơ diesel trung tốc và thấp tốc trên tàu thì nhiên liệu HFO được dùng chủ yếu. Nhiên liệu chưng cất có độ nhớt thấp thường được dùng trong các chế độ làm việc không ổn định, chế độ chuyển tiếp nhằm đảm bảo các thông số công tác động cơ. Những loại nhiên liệu đều có những đặc trưng riêng, đáp ứng yêu cầu của động cơ theo cấu tạo, sự hoạt động và khai thác động cơ như: Tỷ trọng, nhiệt trị, độ nhớt, nhiệt độ đông đặc, nhiệt độ bén lửa, trị số xê tan, hàm lượng tro, hàm lượng lưu huỳnh, hàm lượng nước vv. Chính vì vậy, các tàu vận tải biển thường dùng động cơ 2 kỳ thấp tốc từ 50 đến 210 v/p làm động cơ chính. Trong khi đó, các động cơ phụ thường dùng động cơ diesel 4 kỳ có hoặc không có tăng áp, vòng quay cao. Với các loại tàu chuyên dụng như các tàu kéo, phà, tàu chạy biển, các loại động cơ diesel trung tốc và cao tốc có vòng quay lớn hơn 1500 v/p được sử dụng rộng rãi làm động cơ chính. Hiện nay ở Việt Nam có tới gần như 100% tàu sông và tàu pha sông biển trang bị thiết bị năng lượng diesel. Số lượng tàu biển cũng chiếm đến 95-97% tổng số có lắp đặt thiết bị năng lượng diesel.

9 1.2.2. Nhiên liệu dùng cho động cơ diesel tàu thủy Thông thường nhiên liệu được dùng cho động cơ diesel sẽ quyết định bởi chính những đặc tính kỹ thuật đặc trưng của động cơ như được trình bày ở (phần 1.2.1). Vì vậy Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế (ISO) đã đưa ra những tiêu chuẩn đối với các loại nhiên liệu thích hợp với các loại động cơ diesel, trong đó có động cơ diesel tàu thủy. Các tiêu chuẩn mang tính bắt buộc đối với nhiên liệu dùng cho động cơ diesel tàu thủy dựa trên các tính chất của nhiên liệu như: Tỷ trọng, nhiệt trị thấp, trị số xê tan, thành phần lưu huỳnh …. Đây cũng là cơ sở để đánh giá sự phù hợp, độ tin cậy và an toàn của một loại nhiên liệu khi sử dụng làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel tàu thủy. Theo tiêu chuẩn của Mỹ, dầu diesel được chia thành 6 loại khác nhau được đánh số từ 1 đến 6 tùy thuộc vào điểm sôi, thành phần hóa học, mục đích sử dụng và độ nhớt (độ nhớt càng cao thì chỉ số càng cao). Độ nhớt của dầu diesel số 6 là cao nhất và số 1 là thấp nhất. Các loại dầu diesel đánh số từ 1 đến 3 thường là dạng dầu diesel chưng cất. Dầu diesel số 1 chính là dầu hỏa, hay còn gọi là dầu hơi vì khi đốt nóng dầu sẽ hóa hơi hoàn toàn. Dầu diesel số 2 (hay gọi là dầu DO) là dầu diesel được dùng chủ yếu cho các động cơ diesel đường bộ và diesel tàu thủy với các tính chất được trình bày ở (bảng 1.3). Dầu diesel số 6 chính là phần còn lại của dầu thô sau khi tất cả các thành phần như xăng, dầu hỏa và thành phần dầu đốt số 2 bay hơi lên, nên còn được gọi là dầu cặn hay dầu nặng. Dầu diesel số 4 là sản phẩm hòa trộn dầu diesel số 2 và dầu cặn số 6. Dầu diesel số 5 cũng là sản phẩm hòa trộn của hai loại trên nhưng tỉ lệ dầu cặn diesel số 6 trong hỗn hợp cao hơn và lên tới 75% khối lượng. Bảng 1.3. Thông số đặc trưng của dầu diesel số 2 (DO) STT Thông số Đơn vị Giá trị Tiêu chuẩn 1 Hàm lượng lưu huỳnh % khối lượng 0,36 EETD 86 2 Nhiệt độ chớp cháy cốc hở 0 C 91 EETD 84 3 Trọng lượng riêng ở 15 0 C Kg/m 3 846,4 EETD 84 4 Nhiệt độ chảy loãng 0 C -27 Mackay 82 b