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

6,823
520
102
20
khí thi vi nồng độ các chất độc hi cao) vẫn còn chưa được quan tâm nghiên cu
nhiu.
Mc dù nhiên liu sinh hc vn còn có nhng mt hn chế so vi du diesel
truyn thống chưa được ng dng rộng rãi nhưng các nhà khoa học, các nhà
nghiên cu vn tiếp túc nghiên cứu để nâng cao chất lưng, ci thin tính cht ca
nhiên liu sinh hoc, dn dn loi b được các hn chế đưa nhiên liệu sinh hc
vào s dng rng rãi trên tt c các phương tiện giao thông đường thủy đường
bộ, để dn thay thế nhiên liu truyn thng không còn ph thuc quá nhiu
nhiên liu hóa thạch như ngày nay. Bằng chng Vit Nam hiện đã có rt nhiu
các công trình nghiên cu, các nhà máy sn xuất được xây dựng để sn xut nhiên
liu sinh hc (hình 1.1). T đó nâng cao được tm quan trng ca nhiên liu sinh
học trong đời sng, thân thin với môi trưng, gim lưng phát thi, không gây hiu
ng nhà kính. Vậy đề tài “Nghiên cứu s dng hn hp nhiên liu Bio-
oils/Biodiesel trên động cơ diesel tàu thủy c nhỏ” một trong nhng gii pháp
hu hiệu đáp ứng được nhu cu v ngun nhiên liu sinh học trong tương lai, giảm
thiểu lượng khí phát thải ra môi trường, thân thin với môi trường không gây hiu
ng nhà kính. T đó góp phần b sung vào ngun d tr nhiên liu sinh hc, nâng
cao s đa dạng ca nhiên liu sinh học trong tương lai.
20 khí thải với nồng độ các chất độc hại cao) vẫn còn chưa được quan tâm nghiên cứu nhiều. Mặc dù nhiên liệu sinh học vẫn còn có những mặt hạn chế so với dầu diesel truyền thống và chưa được ứng dụng rộng rãi nhưng các nhà khoa học, các nhà nghiên cứu vẫn tiếp túc nghiên cứu để nâng cao chất lượng, cải thiện tính chất của nhiên liệu sinh hoc, dần dần loại bỏ được các hạn chế và đưa nhiên liệu sinh học vào sử dụng rộng rãi trên tất cả các phương tiện giao thông đường thủy và đường bộ, để dần thay thế nhiên liệu truyền thống và không còn phụ thuộc quá nhiều và nhiên liệu hóa thạch như ngày nay. Bằng chứng là ở Việt Nam hiện đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu, các nhà máy sản xuất được xây dựng để sản xuất nhiên liệu sinh học (hình 1.1). Từ đó nâng cao được tầm quan trọng của nhiên liệu sinh học trong đời sống, thân thiện với môi trường, giảm lượng phát thải, không gây hiệu ứng nhà kính. Vậy đề tài “Nghiên cứu sử dụng hỗn hợp nhiên liệu Bio- oils/Biodiesel trên động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ” là một trong những giải pháp hữu hiệu đáp ứng được nhu cầu về nguồn nhiên liệu sinh học trong tương lai, giảm thiểu lượng khí phát thải ra môi trường, thân thiện với môi trường không gây hiệu ứng nhà kính. Từ đó góp phần bổ sung vào nguồn dự trữ nhiên liệu sinh học, nâng cao sự đa dạng của nhiên liệu sinh học trong tương lai.
21
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Tính chất của nhiên liệu
2.1.1. Tính chất của nhiên liệu diesel (DO)
Nhiên liệu dùng cho động diesel cn phải đảm bo các yêu cu sau:
tính cht phù hp vi loại động cơ sử dng; nhit tr cao và hàm lượng khí phát
thải độc hi nh; có kh năng tái to; không gây ăn mòn và oxi hóa h thng nhiên
liu; d bo qun và s dng, d kiếm và đảm bo tính kinh tế.
Nhiên liu hóa thạch dùng cho động cơ diesel loại nhiên liệu thu được t
quá trình chưng cất du m, ch yếu gm nhiên liu khí nhiên liu lng. Nhiên
liu khí bao gm các loi khí thiên nhiên như CNG, LPG, LNG…nhiên liệu khí
đang được nghiên cu nhm s dng rộng rãi trên động cơ diesel. Nhiên liu lng
gm các loi n xăng, dầu diesel loi nhiên liu dùng ch yếu cho động
diesel và các loi động cơ đốt trong khác.
Thành phần chưng cất: Đặc trưng tính dễ bay hơi của nhiên liu nh
hưởng đến s d dàng khởi động động cơ. Các thành phần nhtrong nhin liu
bay hơi hết 200
o
C làm tốt tính bay hơi của nhiên liệu, nhưng thể y ra độ
cng làm vic ln cho Diesel. S mt ca các thành phn nặng bay hơi hết
nhiệt độ cao hơn 350
0
C làm xu s hình thành hn hp dẫn đến nhiên liu cháy
không hết, gây ra khói đen cho động cơ và tăng sự to mui, tro, x.
Độ nht là tính cht ca nhiên liu gây ra sc cn chuyển động ca các thành
phn nhiên liệu dưới tác động ca ngoi lực. Độ nht là mt trong các ch s chính
ca nhiên liệu xác định tính chất phun sương của nó trong buồng đốt của động cơ
Diesel. Mác ca nhiên liệu được đặc trưng bởi độ nhớt động hình hc hoc bởi độ
nhớt quy ước. Đơn vị của độ nhớt động hình hc là mm
2
/s (nước ct 293
0
K có độ
nht là 1 mm
2
/s). Khi nhiệt độ tăng độ nht ca nhiên liu s gim, vì vy phi luôn
ch rõ đ nht ca nhiên liệu xác định mt nhit đ c th.
Độ nht càng nh đường kính ht khi phun càng gim, hoàn thin s to hn
hp và s cháy tiếp theo đó. Nhưng độ nht quá thp làm xu kh năng bôi trơn của
21 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Tính chất của nhiên liệu 2.1.1. Tính chất của nhiên liệu diesel (DO) Nhiên liệu dùng cho động cơ diesel cần phải đảm bảo các yêu cầu sau: Có tính chất phù hợp với loại động cơ sử dụng; có nhiệt trị cao và hàm lượng khí phát thải độc hại nhỏ; có khả năng tái tạo; không gây ăn mòn và oxi hóa hệ thống nhiên liệu; dễ bảo quản và sử dụng, dễ kiếm và đảm bảo tính kinh tế. Nhiên liệu hóa thạch dùng cho động cơ diesel là loại nhiên liệu thu được từ quá trình chưng cất dầu mỏ, chủ yếu gồm nhiên liệu khí và nhiên liệu lỏng. Nhiên liệu khí bao gồm các loại khí thiên nhiên như CNG, LPG, LNG…nhiên liệu khí đang được nghiên cứu nhằm sử dụng rộng rãi trên động cơ diesel. Nhiên liệu lỏng gồm các loại như xăng, dầu diesel là loại nhiên liệu dùng chủ yếu cho động cơ diesel và các loại động cơ đốt trong khác. Thành phần chưng cất: Đặc trưng tính dễ bay hơi của nhiên liệu và ảnh hưởng đến sự dễ dàng khởi động động cơ. Các thành phần nhẹ có trong nhiện liệu bay hơi hết ở 200 o C làm tốt tính bay hơi của nhiên liệu, nhưng có thể gây ra độ cứng làm việc lớn cho Diesel. Sự có mặt của các thành phần nặng bay hơi hết ở nhiệt độ cao hơn 350 0 C làm xấu sự hình thành hỗn hợp dẫn đến nhiên liệu cháy không hết, gây ra khói đen cho động cơ và tăng sự tạo muội, tro, xỉ. Độ nhớt là tính chất của nhiên liệu gây ra sức cản chuyển động của các thành phần nhiên liệu dưới tác động của ngoại lực. Độ nhớt là một trong các chỉ số chính của nhiên liệu xác định tính chất phun sương của nó trong buồng đốt của động cơ Diesel. Mác của nhiên liệu được đặc trưng bởi độ nhớt động hình học hoặc bởi độ nhớt quy ước. Đơn vị của độ nhớt động hình học là mm 2 /s (nước cất ở 293 0 K có độ nhớt là 1 mm 2 /s). Khi nhiệt độ tăng độ nhớt của nhiên liệu sẽ giảm, vì vậy phải luôn chỉ rõ độ nhớt của nhiên liệu xác định ở một nhiệt độ cụ thể. Độ nhớt càng nhỏ đường kính hạt khi phun càng giảm, hoàn thiện sự tạo hỗn hợp và sự cháy tiếp theo đó. Nhưng độ nhớt quá thấp làm xấu khả năng bôi trơn của
22
nhiên liu, dẫn đến nâng cao độ mòn ca thiết b nhiên liu và rò lt nhiên liu qua
các ch mi ghép không kín.
Khi tăng độ nht sc cn chuyển động ca nhiên liệu tăng lên, độ mn, phun
sương bị xấu đi hậu qu xut hin s cháy không ổn định, cháy không hết,
xut hiện khói đen tăng tiêu hao nhiên liệu. Thiết b nhiên liu của động
Diesel khi thiết kế chế tạo có tính đến đ nhớt xác định ca nhiên liu, khi s
dng các mác nhiên liệu có độ nht khác so vi tính toán, s không tránh khi s
phá hy vic to hn hợp bình thường.
Thi gian gi chm s t cháy: Đặc trưng độ tin cy t cháy ca nhiên liu
ph thuc vào thành phn hóa hc nhóm thành phần chưng cất là ch tiêu khai
thác quan trng nht ca nhiên liu. Tính t bốc cháy được đánh giá bằng đại lượng
ch s xêtan. Ch s cetan ch s tính bc cháy ca nhiên liu Diesel bng hàm
ng % theo th tích ca hiđ cac bon tan trong hn hp vi
alafmetilnaftalin, khi đó các giai đoạn duy trì cháy ca hn hp này ca
nhiên liệu được th như nhau. Giai đoạn duy trì cháy phải đo bằng thi gian t thi
điểm đạt được nhiệt đ t bc cháy nhiên liệu đến thời điểm bc cháy hn hp ca
nhiên liu vi không khí. Ch s cetan ca nhiên liu nng động cơ Diesel trung
bình khoảng 25 đơn vị, ca nhiên liệu Diesel chưng cất là 50 đơn v.
Nhiệt độ vẩn đục nhiệt độ đông đặc, đặc trưng tính lưu động ca nhiên
liu các nhit đ thp.
Khi nhiệt độ gim ln, nhiên liu mất tính lưu động của mình do tăng độ
nht lng các tinh th Paraphil, s lưu thông trong các ng dn b đình trệ
động cơ không có khả năng làm việc na.
th giảm độ đông đặc ca nhiên liu bng cách pha vào các ph gia
chống đông, ví dụ du hỏa thông thường. Các cht ph gia gi các liên kết hóa
học được thêm vào nhiên liệu để ci thit tt tính cht ca nhiên liu. Các cht ph
gia to ra kh năng giảm s to mui, ci thin tt quá trình cháy ca nhiên liu,
trung hòa các sn phẩm cháy, tăng khả năng của nhiên liu chng li ôxy hóa khi
22 nhiên liệu, dẫn đến nâng cao độ mòn của thiết bị nhiên liệu và rò lọt nhiên liệu qua các chỗ mối ghép không kín. Khi tăng độ nhớt sức cản chuyển động của nhiên liệu tăng lên, độ mịn, phun sương bị xấu đi và hậu quả là xuất hiện sự cháy không ổn định, cháy không hết, xuất hiện khói đen và tăng tiêu hao nhiên liệu. Thiết bị nhiên liệu của động cơ Diesel khi thiết kế và chế tạo có tính đến độ nhớt xác định của nhiên liệu, khi sử dụng các mác nhiên liệu có độ nhớt khác so với tính toán, sẽ không tránh khỏi sự phá hủy việc tạo hỗn hợp bình thường. Thời gian giữ chậm sự tự cháy: Đặc trưng độ tin cậy tự cháy của nhiên liệu phụ thuộc vào thành phần hóa học nhóm và thành phần chưng cất là chỉ tiêu khai thác quan trọng nhất của nhiên liệu. Tính tự bốc cháy được đánh giá bằng đại lượng chỉ số xêtan. Chỉ số cetan là chỉ số tính bốc cháy của nhiên liệu Diesel bằng hàm lượng % theo thể tích của hiđrô – cac bon xê tan trong hỗn hợp với alafmetilnaftalin, mà khi đó các giai đoạn duy trì cháy của hỗn hợp này và của nhiên liệu được thử như nhau. Giai đoạn duy trì cháy phải đo bằng thời gian từ thời điểm đạt được nhiệt độ tự bốc cháy nhiên liệu đến thời điểm bốc cháy hỗn hợp của nhiên liệu với không khí. Chỉ số cetan của nhiên liệu nặng ở động cơ Diesel trung bình khoảng 25 đơn vị, của nhiên liệu Diesel chưng cất là 50 đơn vị. Nhiệt độ vẩn đục và nhiệt độ đông đặc, đặc trưng tính lưu động của nhiên liệu ở các nhiệt độ thấp. Khi nhiệt độ giảm lớn, nhiên liệu mất tính lưu động của mình do tăng độ nhớt và lắng các tinh thể Paraphil, sự lưu thông trong các ống dẫn bị đình trệ và động cơ không có khả năng làm việc nữa. Có thể giảm độ đông đặc của nhiên liệu bằng cách pha vào nó các phụ gia chống đông, ví dụ dầu hỏa thông thường. Các chất phụ gia gọi là các liên kết hóa học được thêm vào nhiên liệu để cải thiệt tốt tính chất của nhiên liệu. Các chất phụ gia tạo ra khả năng giảm sự tạo muội, cải thiện tốt quá trình cháy của nhiên liệu, trung hòa các sản phẩm cháy, tăng khả năng của nhiên liệu chống lại ôxy hóa khi
23
bo quản …. Thông thưng nhiên liệu Diesel được thêm vào cht ph gia đa năng
có kh năng cải thiện đồng thi mt s tính cht ca nhiên liu.
S vẩn đục ca nhiên liu xy ra trước s đông đặc do s xut hin ca các
hạt nước nh li ti, các tinh th nước đá Benzen hay Paraphil, chúng gây tắc các bu
lc nhiên liu.
Các tp chất cơ học và nước: Làm giảm đáng kể chất lượng nhiên liu và s
tn ti ca chúng trong nhiên liu cho các Diesel cao tc là không cho phép.
Các tp chất cơ học gây ra tăng mài mòn thiết b nhiên liu dẫn đến tc vòi
phun, kẹt kim phun và các piston bơm cao áp.
c lt vào nhiên liu làm gim nhiệt độ ca nhiên liệu, gây ra ăn mòn các
thiết b nhiên liệu, gây khó khăn hay thậm chí không khởi động được động
Diesel.
Xu hướng to tro và hình thành cn lng ca nhiên liu mức độ đưc biết,
được gii thích bng s tn ti trong nhiên liu các hắc ín, sơn đó là các sn phm
phc tp của oxi hóa và polime hóa cácbonhiđrô. Hàm lượng của chúng dao động
trong các gii hn t 20 120 mg trên 100ml nhiên liệu. Hàm lượng hắc ín tăng với
các thành phn lng tro x được tạo ra khi cháy bám trên các đầu vòi phun, các b
mt xilanh piston, trên các xupap ng thi, còn cn lng dạng đặc st màu
đen được tích t trong các thùng nhiên liu, các phin lc ng dn ca nhiên liu
cho các động cơ Diesel không được vượt 5mg KOH trên 100ml nhiên liu.
Tính axít ca nhiên liu: Là do lượng axít gii hn trong nó, chúng làm
cho nhiên liu hoạt tính ăn mòn. Độ axít cao gây ra s ăn mòn nhanh thiết b
nhiên liệu, ăn mòn các bề mt trong các két nhiên liệu và các đường ng dn. Tính
axít ca nhiên liệu cho các động cơ Diesel không được vượt quá 5mg KOH trên 100
ml nhiên liu.
Nhiệt độ bt lửa: Đặc trưng cho nhiên liệu v phương diện phòng ha, các
yêu cu cao nht v phòng hỏa đặt ra cho nhiên liệu các động cơ Diesel tàu chiến, vì
chúng làm vic trong không gian cht hp và kín vi nhit đ không khí cao.
23 bảo quản …. Thông thường nhiên liệu Diesel được thêm vào chất phụ gia đa năng có khả năng cải thiện đồng thời một số tính chất của nhiên liệu. Sự vẩn đục của nhiên liệu xảy ra trước sự đông đặc do sự xuất hiện của các hạt nước nhỏ li ti, các tinh thể nước đá Benzen hay Paraphil, chúng gây tắc các bầu lọc nhiên liệu. Các tạp chất cơ học và nước: Làm giảm đáng kể chất lượng nhiên liệu và sự tồn tại của chúng trong nhiên liệu cho các Diesel cao tốc là không cho phép. Các tạp chất cơ học gây ra tăng mài mòn thiết bị nhiên liệu dẫn đến tắc vòi phun, kẹt kim phun và các piston bơm cao áp. Nước lọt vào nhiên liệu làm giảm nhiệt độ của nhiên liệu, gây ra ăn mòn các thiết bị nhiên liệu, gây khó khăn hay thậm chí không khởi động được động cơ Diesel. Xu hướng tạo tro và hình thành cặn lắng của nhiên liệu ở mức độ được biết, được giải thích bằng sự tồn tại trong nhiên liệu các hắc ín, sơn đó là các sản phẩm phức tạp của oxi hóa và polime hóa cácbonhiđrô. Hàm lượng của chúng dao động trong các giới hạn từ 20  120 mg trên 100ml nhiên liệu. Hàm lượng hắc ín tăng với các thành phần lắng tro xỉ được tạo ra khi cháy bám trên các đầu vòi phun, các bề mặt xilanh và piston, trên các xupap và ống thải, còn cặn lắng ở dạng đặc sệt màu đen được tích tụ trong các thùng nhiên liệu, các phin lọc và ống dẫn của nhiên liệu cho các động cơ Diesel không được vượt 5mg KOH trên 100ml nhiên liệu. Tính axít của nhiên liệu: Là do có lượng axít giới hạn trong nó, chúng làm cho nhiên liệu có hoạt tính ăn mòn. Độ axít cao gây ra sự ăn mòn nhanh thiết bị nhiên liệu, ăn mòn các bề mặt trong các két nhiên liệu và các đường ống dẫn. Tính axít của nhiên liệu cho các động cơ Diesel không được vượt quá 5mg KOH trên 100 ml nhiên liệu. Nhiệt độ bắt lửa: Đặc trưng cho nhiên liệu về phương diện phòng hỏa, các yêu cầu cao nhất về phòng hỏa đặt ra cho nhiên liệu các động cơ Diesel tàu chiến, vì chúng làm việc trong không gian chật hẹp và kín với nhiệt độ không khí cao.
24
Độ tro ca nhiên liệu cho các độngDiesel cao tốc không được vượt quá
0,025%. Độ tro tăng với s tăng thành phần nng ca nhiên liệu. Độ tro cao dẫn đến
phát sinh mài mòn nhóm piston, xilanh, kt, tắc các đầu vòi phun; còn Vanađi
Natri có trong tro gây ăn mòn các chi tiết trong động cơ.
Kh năng cốc hóa: ch tiêu gián tiếp của xu hướng to tro, x ca nhiên
liệu. đối vi các nhiên liệu chưng cất nó không lớn hơn 0,05-0,10%.
Sức căng bề mt: lực căng trên một đơn vị chiu dài ct ngang b mt.
Khi sức căng bề mt ca nhiên liu ln, s phun sương sẽ kém do đó ảnh hưởng xu
đến chất lượng quá trình cháy của động cơ. Sức căng bề mt t l thun với độ nht,
khi lưng riêng và t l nghch vi nhiệt độ.
Lưu huỳnh và các liên kết sunfua: Là nhng cu thành có hi nht ca nhiên
liu bi vì các sn phm cháy các liên kết sunfua d kết hp với hơi nước to thành
các axit gây ra ăn mòn mạnh và gia tăng tạo tro, x trong động cơ khi đó xuất hin
c s ăn mòn của cht khí lẫn ăn mòn chất lỏng (điện hóa).
Tính bay hơi của nhiên liu quyết định mt phn quan trng ca quá trình
cháy ca nhiên liệu trong động cơ. Tính chất bay hơi quyết định đến tốc độ bay hơi,
mức độ bay hơi hoàn toàn và khả năng hòa trộn vi không khí khi phun nhiên liu
vào buồng đốt ca động diesel. Việc s dng nhiên liệu có tính bay hơi kém sẽ
làm xut hin hiện tượng cháy không hoàn toàn, m lãng phí nhiên liu gim
hiu sut. Các yếu t ảnh hưởng tới tính bay hơi: Độ nht, khối ng riêng, sc
căng b mt và nhiệt độ môi trường.
Theo TCCS 03:2009/PETROLIMEX hay QCVN 1:2009/BKHCN hoc
ASTM D975, nhiên liệu diesel dùng cho động cơ diesel phải tha mãn các yêu cu
như (Bảng 2.1):
Bảng 2.1. Tiêu chuẩn đối với nhiên liệu diesel hóa thạch
STT
Thành phn
Phương
pháp th
TCCS
03:2009
ASTM
D975
1
Đim chp cháy,
0
C, nh nht
D93
55
52
2
Hàm lượng nước lng cn, % th tích,
D2709
-
0,05
24 Độ tro của nhiên liệu cho các động cơ Diesel cao tốc không được vượt quá 0,025%. Độ tro tăng với sự tăng thành phần nặng của nhiên liệu. Độ tro cao dẫn đến phát sinh mài mòn nhóm piston, xilanh, kẹt, tắc các đầu vòi phun; còn Vanađi và Natri có trong tro gây ăn mòn các chi tiết trong động cơ. Khả năng cốc hóa: Là chỉ tiêu gián tiếp của xu hướng tạo tro, xỉ của nhiên liệu. đối với các nhiên liệu chưng cất nó không lớn hơn 0,05-0,10%. Sức căng bề mặt: Là lực căng trên một đơn vị chiều dài cắt ngang bề mặt. Khi sức căng bề mặt của nhiên liệu lớn, sự phun sương sẽ kém do đó ảnh hưởng xấu đến chất lượng quá trình cháy của động cơ. Sức căng bề mặt tỉ lệ thuận với độ nhớt, khối lượng riêng và tỉ lệ nghịch với nhiệt độ. Lưu huỳnh và các liên kết sunfua: Là những cấu thành có hại nhất của nhiên liệu bởi vì các sản phẩm cháy các liên kết sunfua dễ kết hợp với hơi nước tạo thành các axit gây ra ăn mòn mạnh và gia tăng tạo tro, xỉ trong động cơ khi đó xuất hiện cả sự ăn mòn của chất khí lẫn ăn mòn chất lỏng (điện hóa). Tính bay hơi của nhiên liệu quyết định một phần quan trọng của quá trình cháy của nhiên liệu trong động cơ. Tính chất bay hơi quyết định đến tốc độ bay hơi, mức độ bay hơi hoàn toàn và khả năng hòa trộn với không khí khi phun nhiên liệu vào buồng đốt của động cơ diesel. Việc sử dụng nhiên liệu có tính bay hơi kém sẽ làm xuất hiện hiện tượng cháy không hoàn toàn, làm lãng phí nhiên liệu và giảm hiệu suất. Các yếu tố ảnh hưởng tới tính bay hơi: Độ nhớt, khối lượng riêng, sức căng bề mặt và nhiệt độ môi trường. Theo TCCS 03:2009/PETROLIMEX hay QCVN 1:2009/BKHCN hoặc ASTM D975, nhiên liệu diesel dùng cho động cơ diesel phải thỏa mãn các yêu cầu như (Bảng 2.1): Bảng 2.1. Tiêu chuẩn đối với nhiên liệu diesel hóa thạch STT Thành phần Phương pháp thử TCCS 03:2009 ASTM D975 1 Điểm chớp cháy, 0 C, nhỏ nhất D93 55 52 2 Hàm lượng nước và lắng cặn, % thể tích, D2709 - 0,05
25
ln nht
3
Độ nht đng hc 40
0
C, mm
2
/s
D445
2,0-4,5
1,3-4,1
4
Hàm lượng lưu huỳnh, % khối lượng, ln
nht
D5453
0,05
0,05
5
Hàm lượng tro, % khối lượng, ln nht
D482
0,01
0,01
6
Hàm lượng hp chất thơm, % thể tích, ln
nht
D1319
-
35
7
S cetan, nh nht
D613
46
40
8
Ăn mòn tấm đng trong 3 gi 50
0
C
D130
Loi 1
Loi 1
9
Nhit đ ct ti 90% th tích,
0
C
D1160
370
282-338
2.1.2. Tính chất của nhiên liệu thay thế Bio-oils/Biodiesel
Du sinh hc gc là nhiên liu bao gm du thc vt hoc m động vt thu
được t quá trình tinh chế du m, thành phn chính axit béo mch dài (xem
hình 2.1), chưa pha trộn vi các loi nhiên liệu khác để s dng làm nhiên liu cho
động cơ diesel, ký hiu là VO100 (ch V ch tên loi du thc vt) hay AF100 (ch
A ch tên loi m động vt).
Hình 2-1. Cấu trúc phân tử của dầu sinh học gốc
Du sinh hc gc các phân t chất béo trung tính, không tan trong nước,
cha ba chui hydrocarbon liên kết vi mt gc glixerol nên khối lượng riêng
ln độ nht cao. Du sinh hc gc thcác loi du có ngun gc thc vt
gm loại ăn được (du mè, dầu đậu lành, du dừa…) hoặc không ăn được ( du ht
bông, du jatropha, du ht cao su…) và m động vt.
Thành phn hóa hc chính ca du sinh hc gc là este ca glixerol vi các
axit béo bão hòa (palmitic (16: 0) stearic (18: 0) hai loi axit béo bão hòa
25 lớn nhất 3 Độ nhớt động học ở 40 0 C, mm 2 /s D445 2,0-4,5 1,3-4,1 4 Hàm lượng lưu huỳnh, % khối lượng, lớn nhất D5453 0,05 0,05 5 Hàm lượng tro, % khối lượng, lớn nhất D482 0,01 0,01 6 Hàm lượng hợp chất thơm, % thể tích, lớn nhất D1319 - 35 7 Số cetan, nhỏ nhất D613 46 40 8 Ăn mòn tấm đồng trong 3 giờ ở 50 0 C D130 Loại 1 Loại 1 9 Nhiệt độ cất tại 90% thể tích, 0 C D1160 370 282-338 2.1.2. Tính chất của nhiên liệu thay thế Bio-oils/Biodiesel Dầu sinh học gốc là nhiên liệu bao gồm dầu thực vật hoặc mỡ động vật thu được từ quá trình tinh chế dầu mỡ, có thành phần chính là axit béo mạch dài (xem hình 2.1), chưa pha trộn với các loại nhiên liệu khác để sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel, ký hiệu là VO100 (chữ V chỉ tên loại dầu thực vật) hay AF100 (chữ A chỉ tên loại mỡ động vật). Hình 2-1. Cấu trúc phân tử của dầu sinh học gốc Dầu sinh học gốc là các phân tử chất béo trung tính, không tan trong nước, chứa ba chuỗi hydrocarbon liên kết với một gốc glixerol nên có khối lượng riêng lớn và độ nhớt cao. Dầu sinh học gốc có thể là các loại dầu có nguồn gốc thực vật gồm loại ăn được (dầu mè, dầu đậu lành, dầu dừa…) hoặc không ăn được ( dầu hạt bông, dầu jatropha, dầu hạt cao su…) và mỡ động vật. Thành phần hóa học chính của dầu sinh học gốc là este của glixerol với các axit béo bão hòa (palmitic (16: 0) và stearic (18: 0) là hai loại axit béo bão hòa
26
thưng gp nht) hay không bão hòa (oleic (18: 1) và linoleic (18: 2) là các axit béo
không bão hòa ph biến nht). So vi diesel sinh hc gc nhiên liu diesel hóa
thch, du sinh hc gc có khối lượng phân t lớn hơn nhiều, công thc phân t ca
du sinh hc gc có dng C
27-57
H
54-104
O
6
. Tương tự như diesel sinh học gc và khác
vi nhiên liu diesel, du sinh hc gc có cha thành phn oxi trong phân t, cha
rất ít lưu huỳnh hp chất thơm (xem bảng 2.3) n diesel sinh hc gc du
sinh hc gc ít gây hại đối với môi trường.
Diesel sinh hc gốc được hiu theo QCVN 1:2009/BKHCN là nhiên liu thu
được thông qua quá trình este hóa vi ankanol t các nguyên liu sinh hc (du thc
vt, m động vt hoc các sn phm khác), có thành phn chính là các mono-alkyl
este (thưng là metyl este hoc etyl este) ca các axit béo mch dài (hình 2.2), chưa
pha trn vi các loi nhiên liệu khác để s dng làm nhiên liệu cho động diesel,
ký hiu là B100.
Hình 2-2. Cấu trúc phân tử của diesel sinh học gốc
Diesel sinh hc sn phẩm thu được t phn ng este hóa du sinh hc
theo phn ng:
CH
2
- OCOR CH
2
- OH
CH
2
- OCOR + 3R’- OH 3R - COOR’ + CH
2
- OH
CH
2
- OCOR CH
2
- OH
Du sinh hc (bio-oil) Ankanol Diesel sinh hc (biodiesel) Glixerol
S khác bit v cu trúc và thành phn phân t ảnh hưởng đến tính cht ca
diesel sinh hc gc. Tính cht ca diesel sinh hc gc được đặc trưng bởi độ nht,
khối lượng riêng, sức căng bề mt, s cetan, nhiệt độ đông đặc, điểm chp cháy,
nhit tr thành phn các nguyên tố, hàm lượng tro, hàm lượng lưu huỳnh, cn
cacbon, độ axit…
Xúc tác
26 thường gặp nhất) hay không bão hòa (oleic (18: 1) và linoleic (18: 2) là các axit béo không bão hòa phổ biến nhất). So với diesel sinh học gốc và nhiên liệu diesel hóa thạch, dầu sinh học gốc có khối lượng phân tử lớn hơn nhiều, công thức phân tử của dầu sinh học gốc có dạng C 27-57 H 54-104 O 6 . Tương tự như diesel sinh học gốc và khác với nhiên liệu diesel, dầu sinh học gốc có chứa thành phần oxi trong phân tử, chứa rất ít lưu huỳnh và hợp chất thơm (xem bảng 2.3) nên diesel sinh học gốc và dầu sinh học gốc ít gây hại đối với môi trường. Diesel sinh học gốc được hiểu theo QCVN 1:2009/BKHCN là nhiên liệu thu được thông qua quá trình este hóa với ankanol từ các nguyên liệu sinh học (dầu thực vật, mỡ động vật hoặc các sản phẩm khác), có thành phần chính là các mono-alkyl este (thường là metyl este hoặc etyl este) của các axit béo mạch dài (hình 2.2), chưa pha trộn với các loại nhiên liệu khác để sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel, ký hiệu là B100. Hình 2-2. Cấu trúc phân tử của diesel sinh học gốc Diesel sinh học là sản phẩm thu được từ phản ứng este hóa dầu sinh học theo phản ứng: CH 2 - OCOR CH 2 - OH CH 2 - OCOR + 3R’- OH 3R - COOR’ + CH 2 - OH CH 2 - OCOR CH 2 - OH Dầu sinh học (bio-oil) Ankanol Diesel sinh học (biodiesel) Glixerol Sự khác biệt về cấu trúc và thành phần phân tử ảnh hưởng đến tính chất của diesel sinh học gốc. Tính chất của diesel sinh học gốc được đặc trưng bởi độ nhớt, khối lượng riêng, sức căng bề mặt, số cetan, nhiệt độ đông đặc, điểm chớp cháy, nhiệt trị và thành phần các nguyên tố, hàm lượng tro, hàm lượng lưu huỳnh, cặn cacbon, độ axit… Xúc tác
27
Phân tích hóa hc cho thy, công thc phân t ca diesel sinh hc gc
dng C
15-25
H
28-48
O
2
, do đó trong thành phần diesel sinh hc gc có chứa oxi, điều
này làm cho diesel sinh hc gc cháy sạch hơn nhiên liệu diesel. Tuy nhiên, diesel
sinh hc gc chứa hàm lượng nitơ lớn và axit lớn hơn nhiên liệu diesel nên làm tăng
phát thi NO
x
và gây ăn mòn. Tính chất và thành phn ca diesel sinh hc gốc được
cho trong (Bng 2.3).
Độ nht, khối lượng riêng sức căng bề mt là thuc tính quan trng nht
ca diesel sinh hc gc vì nó ảnh hưởng đến hoạt động ca thiết b phun nhiên liu,
đặc bit là nhiệt độ thp khi đó độ nht, khối lượng riêng và sức căng bề mt cao
làm ảnh hưởng đến tính lưu động ca nhiên liu. Độ nht, khối lượng riêng và sc
căng bề mt cao dẫn đến s phun sương của nhiên liu gim gây ra hoạt động
kém chính xác ca kim phun nhiên liu. Vic h thấp độ nht, khối lượng riêng
sức căng bề mt ca diesel sinh hc gc s d dàng tạo điều kin thun li cho s
phun sương (Islam et al., 2004). So vi du sinh hc gc, diesel sinh hc gc
khi ng phân t ch bng mt phn ba, khối lượng riêng gim khong 4%, độ
nht gim khong tám ln sức căng bề mt gim khong 15%. Diesel sinh hc
gc có ngun gc t m động vt có độ nht, khối lượng riêng và sức căng bề mt
cao hơn so với ngun gc t du thc vt (Bng 2.4).
S cetan (CN) ca diesel sinh hc gc thước đo đánh giá chất lượng đánh
la ca nhiên liu, CN ca diesel sinh hc gc nói chung cao hơn so với nhiên
liu diesel hóa thch (Bng 2.5), CN ca diesel sinh hc gc ngun gc t m
động vt cao hơn so với các loi ngun gc t du thc vt (Bala, 2005). Bên
cạnh đó, hai thông s quan trng cho vic s dng diesel sinh hc gc nhiệt độ
thp là điểm vẩn đục (CP) và điểm đông đặc (PP), diesel sinh hc gc có CP và PP
cao hơn so với nhiên liu diesel hóa thch (Prakash, 1998).
Hàm lượng oxy có trong diesel sinh hc gc làm ci thiện quá trình đốt cháy
do đó hiu sut cháy ca diesel sinh hc gc cao hơn so với nhiên liu diesel.
Nhit tr ca diesel sinh hc gốc là tương đối cao khong 37 - 41 MJ/kg. Như vậy,
nhng li thế ca vic s dng diesel sinh hc làm nhiên liu dieseltính sn có,
27 Phân tích hóa học cho thấy, công thức phân tử của diesel sinh học gốc có dạng C 15-25 H 28-48 O 2 , do đó trong thành phần diesel sinh học gốc có chứa oxi, điều này làm cho diesel sinh học gốc cháy sạch hơn nhiên liệu diesel. Tuy nhiên, diesel sinh học gốc chứa hàm lượng nitơ lớn và axit lớn hơn nhiên liệu diesel nên làm tăng phát thải NO x và gây ăn mòn. Tính chất và thành phần của diesel sinh học gốc được cho trong (Bảng 2.3). Độ nhớt, khối lượng riêng và sức căng bề mặt là thuộc tính quan trọng nhất của diesel sinh học gốc vì nó ảnh hưởng đến hoạt động của thiết bị phun nhiên liệu, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp khi đó độ nhớt, khối lượng riêng và sức căng bề mặt cao làm ảnh hưởng đến tính lưu động của nhiên liệu. Độ nhớt, khối lượng riêng và sức căng bề mặt cao dẫn đến sự phun sương của nhiên liệu giảm và gây ra hoạt động kém chính xác của kim phun nhiên liệu. Việc hạ thấp độ nhớt, khối lượng riêng và sức căng bề mặt của diesel sinh học gốc sẽ dễ dàng tạo điều kiện thuận lợi cho sự phun sương (Islam et al., 2004). So với dầu sinh học gốc, diesel sinh học gốc có khối lượng phân tử chỉ bằng một phần ba, khối lượng riêng giảm khoảng 4%, độ nhớt giảm khoảng tám lần và sức căng bề mặt giảm khoảng 15%. Diesel sinh học gốc có nguồn gốc từ mỡ động vật có độ nhớt, khối lượng riêng và sức căng bề mặt cao hơn so với nguồn gốc từ dầu thực vật (Bảng 2.4). Số cetan (CN) của diesel sinh học gốc là thước đo đánh giá chất lượng đánh lửa của nhiên liệu, CN của diesel sinh học gốc nói chung là cao hơn so với nhiên liệu diesel hóa thạch (Bảng 2.5), CN của diesel sinh học gốc có nguồn gốc từ mỡ động vật cao hơn so với các loại có nguồn gốc từ dầu thực vật (Bala, 2005). Bên cạnh đó, hai thông số quan trọng cho việc sử dụng diesel sinh học gốc ở nhiệt độ thấp là điểm vẩn đục (CP) và điểm đông đặc (PP), diesel sinh học gốc có CP và PP cao hơn so với nhiên liệu diesel hóa thạch (Prakash, 1998). Hàm lượng oxy có trong diesel sinh học gốc làm cải thiện quá trình đốt cháy do đó hiệu suất cháy của diesel sinh học gốc là cao hơn so với nhiên liệu diesel. Nhiệt trị của diesel sinh học gốc là tương đối cao khoảng 37 - 41 MJ/kg. Như vậy, những lợi thế của việc sử dụng diesel sinh học làm nhiên liệu diesel là tính sẵn có,
28
kh năng tái sinh, hiệu suất cháy cao, hàm lượng lưu huỳnh và hp chất thơm thấp
(Ma Hanna, 1999;. Knothe et al, 2006), s cetan cao kh năng phân hủy
sinh học (Mudge và Pereira, 1999; Speidal et al, 2000; Zhang et al, 2003), đim
chớp cháy cao và tính bôi trơn tốt (Mittelbach và Remschmidt, 2004; Knothe et
al. , 2005).
Tuy nhiên, diesel sinh hc gốc cũng tồn ti mt s nhược điểm so vi nhiên
liu diesel như d b vi khun phân hu do ngun gc t du thc vt m
động vt, giá thành cao, làm hng các b phn bng cao su ca h thng nhiên liu
(mt s nghiên cứu đã tìm ra loại cao su tng hp FKM- GBL-S và FKM- GF-S để
thay thế cho các chi tiết làm bằng cao su thông thường) và kh năng xảy ra phn
ng vi mt s loi vt liu kim loi do trong thành phn cha một lượng nh
axit t do (Ayhan Demirbas, 2007;Gerhard Knothe et al. , 2005).
Hin nay, QCVN 1:2009/BKHCN hoặc ASTM D6751 đã đưa ra các tiêu
chuẩn đối vi diesel sinh hc gc dùng trc tiếp cho động cơ diesel (Bng 2.2).
Bảng 2.2. Tiêu chuẩn đối với diesel sinh học gốc B100
STT
Thành phn
Phương
pháp th
QCVN
01:2009
ASTM
D6751
1
Đim chp cháy,
0
C, nh nht
D93
-
130
2
Hàm lượng nước và lng cn, % th
tích ln nht
D2709
0,05
0,05
3
Độ nht đng hc 40
0
C, mm
2
/s
D445
1,9-6,0
1,9-6,0
4
Hàm lượng lưu huỳnh, % khi
ng, ln nht
D5453
0,05
0,05
5
Hàm lượng tro, % khối lượng, ln
nht
D482
0,02
0,01
6
S cetan, nh nht
D613
47
47
28 khả năng tái sinh, hiệu suất cháy cao, hàm lượng lưu huỳnh và hợp chất thơm thấp (Ma và Hanna, 1999;. Knothe et al, 2006), số cetan cao và có khả năng phân hủy sinh học (Mudge và Pereira, 1999; Speidal et al, 2000; Zhang et al, 2003), điểm chớp cháy cao và có tính bôi trơn tốt (Mittelbach và Remschmidt, 2004; Knothe et al. , 2005). Tuy nhiên, diesel sinh học gốc cũng tồn tại một số nhược điểm so với nhiên liệu diesel như dễ bị vi khuẩn phân huỷ do có nguồn gốc từ dầu thực vật và mỡ động vật, giá thành cao, làm hỏng các bộ phận bằng cao su của hệ thống nhiên liệu (một số nghiên cứu đã tìm ra loại cao su tổng hợp FKM- GBL-S và FKM- GF-S để thay thế cho các chi tiết làm bằng cao su thông thường) và có khả năng xảy ra phản ứng với một số loại vật liệu kim loại do trong thành phần có chứa một lượng nhỏ axit tự do (Ayhan Demirbas, 2007;Gerhard Knothe et al. , 2005). Hiện nay, QCVN 1:2009/BKHCN hoặc ASTM D6751 đã đưa ra các tiêu chuẩn đối với diesel sinh học gốc dùng trực tiếp cho động cơ diesel (Bảng 2.2). Bảng 2.2. Tiêu chuẩn đối với diesel sinh học gốc B100 STT Thành phần Phương pháp thử QCVN 01:2009 ASTM D6751 1 Điểm chớp cháy, 0 C, nhỏ nhất D93 - 130 2 Hàm lượng nước và lắng cặn, % thể tích lớn nhất D2709 0,05 0,05 3 Độ nhớt động học ở 40 0 C, mm 2 /s D445 1,9-6,0 1,9-6,0 4 Hàm lượng lưu huỳnh, % khối lượng, lớn nhất D5453 0,05 0,05 5 Hàm lượng tro, % khối lượng, lớn nhất D482 0,02 0,01 6 Số cetan, nhỏ nhất D613 47 47
29
Bảng 2.3. Thành phần hóa học của dầu sinh học gốc, diesel sinh học gốc và
nhiên liệu diesel D2
TT
Thành phn hóa hc
Du sinh
hc gc
Diesel sinh
hc gc
Nhiên liu
diesel D2
1
Hàm lượng cacbon, %kl
73-77,6
75-77
83,5-87
2
Hàm lượng hidro, %kl
11,6-12,3
11,6-12,5
11,5-14
3
Hàm lượng oxi, %kl
10,8-12,5
10,75-11,82
0
4
Hàm lượng lưu huỳnh, %kl
0,006-0,02
0,006-0,02
0,02-0,05
5
Hàm lượng nitơ, %kl
0,002-0,007
0,002-0,007
0,0001-0,0003
6
Hàm lượng hp chất thơm,
%tt
0
0
28-38
7
Ch s It
70-157
65-156
0
8
Hàm lượng tro, %
0,002-0,03
0,002-0,036
0,006-0,01
Tính cht vt lý ca du sinh hc gc có ảnh hưởng nhiều đến chất lượng quá
trình cháy, các tính chất này được đặc trưng bởi các thông s:
- Khối lượng riêng, độ nht và sức căng bề mt là mt thuc tính quan trng
ca du sinh hc gc (xem bng 2.4). B ba thông s này ảnh hưởng đến độ ln lc
liên kết phân t Van der Waals (Pauling 1988). Việc tăng chiều dài chui cacbon
làm tăng khi ng phân tử, do đó tăng độ ln lc Van der Waals nên cũng làm
tăng độ nhớt ngược li. Các tính cht này quyết định lớn đến chất lượng phun
sương của nhiên liệu, chúng đều mi quan h t l nghch vi nhiệt độ. Vic s
dng trc tiếp du sinh hc gc làm nhiên liu thay thế cho động cơ diesel nhất thiết
phải tính đến vic ci thin các thông s trên nhằm đảm bo nó nm trong phm vi
cho phép và gn vi giá tr ca nhiên liu diesel truyn thng.
Đim chớp cháy, điểm vẩn đục và điểm đông đặc (xem bng 2.4 và 2.5) ca
dâu sinh hc gốc khá cao, cao hơn diesel sinh học gc và nhiên liu diesel truyn
thng. Vì lý do này, du sinh hc gc gần như không có khả năng làm vic nhit
độ thp do mất tính lưu động ca loi nhiên liu lng.
29 Bảng 2.3. Thành phần hóa học của dầu sinh học gốc, diesel sinh học gốc và nhiên liệu diesel D2 TT Thành phần hóa học Dầu sinh học gốc Diesel sinh học gốc Nhiên liệu diesel D2 1 Hàm lượng cacbon, %kl 73-77,6 75-77 83,5-87 2 Hàm lượng hidro, %kl 11,6-12,3 11,6-12,5 11,5-14 3 Hàm lượng oxi, %kl 10,8-12,5 10,75-11,82 0 4 Hàm lượng lưu huỳnh, %kl 0,006-0,02 0,006-0,02 0,02-0,05 5 Hàm lượng nitơ, %kl 0,002-0,007 0,002-0,007 0,0001-0,0003 6 Hàm lượng hợp chất thơm, %tt 0 0 28-38 7 Chỉ số Iốt 70-157 65-156 0 8 Hàm lượng tro, % 0,002-0,03 0,002-0,036 0,006-0,01 Tính chất vật lý của dầu sinh học gốc có ảnh hưởng nhiều đến chất lượng quá trình cháy, các tính chất này được đặc trưng bởi các thông số: - Khối lượng riêng, độ nhớt và sức căng bề mặt là một thuộc tính quan trọng của dầu sinh học gốc (xem bảng 2.4). Bộ ba thông số này ảnh hưởng đến độ lớn lực liên kết phân tử Van der Waals (Pauling 1988). Việc tăng chiều dài chuỗi cacbon làm tăng khối lượng phân tử, do đó tăng độ lớn lực Van der Waals nên cũng làm tăng độ nhớt và ngược lại. Các tính chất này quyết định lớn đến chất lượng phun sương của nhiên liệu, chúng đều có mối quan hệ tỉ lệ nghịch với nhiệt độ. Việc sử dụng trực tiếp dầu sinh học gốc làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel nhất thiết phải tính đến việc cải thiện các thông số trên nhằm đảm bảo nó nằm trong phạm vi cho phép và gần với giá trị của nhiên liệu diesel truyền thống. Điểm chớp cháy, điểm vẩn đục và điểm đông đặc (xem bảng 2.4 và 2.5) của dâu sinh học gốc khá cao, cao hơn diesel sinh học gốc và nhiên liệu diesel truyền thống. Vì lý do này, dầu sinh học gốc gần như không có khả năng làm việc ở nhiệt độ thấp do mất tính lưu động của loại nhiên liệu lỏng.