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

30 Bảng 2.4. Độ nhớt, khối lượng riêng, sức căng bề mặt, điểm chớp cháy của diesel sinh học gốc, dầu sinh học gốc và diesel D2 ở nhiệt độ 40 0 C STT Nhiên liệu Độ nhớt động học ở 40 0 C, cSt Khối lượng riêng, kg/m 3 Sức căng bề mặt, mN/m Điểm chớp cháy, 0 C 1 Diesel sinh học gốc 3,5-5 870-885 27,8-29 110-180 2 Dầu sinh học gốc 24-48 903-924 31-35 195-270 3 Nhiên liệu diesel D2 2,7-3 822-837 24 73 Nhiệt trị của dầu sinh học gốc phụ thuộc vào chỉ số xà phòng hóa (SV) và chỉ số Iốt (IV), SV và IV tăng tức là tăng số liên kết đôi (-C = C-) do đó sẽ làm giảm nhiệt trị của dầu (xem bảng 2.5). Số cetan là thước đo cho sự đánh lửa nhanh hay chậm của một loại nhiên liệu lỏng sau khi được phun vào xilanh của động cơ đánh lửa cưỡng bức. Số cetan của dầu sinh học gốc thường nhỏ hơn diesel sinh học gốc và nhiên liệu diesel truyền thống (xem bảng 2.1). Bảng 2.5. Nhiệt trị, số cetane, điểm vẩn đục và điểm đông đặc của dầu sinh học gốc, diesel sinh học gốc và nhiên liệu diesel D2 STT Nhiên liệu Nhiệt trị, kJ/kg Số cetan Điểm vẩn đục, 0 C Điểm đông đặc, 0 C 1 Diesel sinh học gốc 38-40 50-70 1-12 -15÷ -7 2 Dầu sinh học gốc 37-39,5 28-42 3-15 -6÷ -2 3 Nhiên liệu diesel D2 43 48 -14 -30 Những ưu điểm của dầu sinh học gốc làm nhiên liệu thay thế là tính lỏng, sẵn có, khả năng tái sinh, chứa rất ít lưu huỳnh và hợp chất thơm, có khả năng phân huỷ sinh học (Goering et al, 1982). Hiện nay chưa có tiêu chuẩn cho dầu sinh học gốc làm nhiên liệu cho động cơ, song để có thể sử dụng chúng cần dựa vào một số tiêu chuẩn đối với nhiên liệu diesel. Tuy nhiên, nhược điểm chính của dầu sinh học gốc là độ nhớt cao hơn từ 10 đến 17 lần so với nhiên liệu diesel (Srivastava và Prasad, 2000), có khối lượng riêng

31 và sức căng bề mặt lớn nên khả năng bay hơi kém, phản ứng của các chuỗi hydrocarbon không bão hòa nên làm dầu dễ bị biến chất. Một số kết quả thử nghiệm sử dụng dầu sinh học gốc trên động cơ diesel (Komers et al, 2001; Darnoko và Cheryan, 2000) thấy xuất hiện cốc trên kim phun, dính xéc măng, làm biến chất dầu bôi trơn. Hình 2.3 cho thấy, một số ưu nhược điểm của nhiên liệu diesel sinh học gốc so với nhiên liệu diesel truyền thống. Hình 2-3. Sơ đồ biểu diễn tính chất của diesel sinh học gốc và dầu sinh học gốc Tính chảy loãng kém Diesel sinh học gốc Độ nhớt cao Dễ bị oxi hóa Điểm chớp cháy cao Gây lắng cặn ở thiết bị Phun sương kém Nhiên liệu dễ bị biến chất Cáu cặn cácbon An toàn lưu trữ nhiên liệu An toàn trong vận chuyển Cháy trì hoãn ngắn Suất tiêu thụ nhiên liệu tăng Số cetan cao Nhiệt trị thấp hơn diesel Lượng nhiên liệu tăng trong mỗi lần phun Cải thiện thời gian và tỉ lệ phun nhiên liệu Dầu sinh học gốc

32 2.2. Cơ sở lý thuyết sử dụng hỗn hợp nhiên liệu bio-oils/biodiesel thay thế nhiên liệu diesel 2.2.1. Tính chất của nhiên liệu lựa chọn 2.2.1.1. Tính chất Jatropha Methy Este (JOME) Cây Jatropha thuộc họ thầu dầu, có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp. Ở Việt Nam cây Jatropha gọi là cây Cọc giậu, cọc rào, cây li, dầu mè. Hiện nay trên Thế giới đang chạy đua phát triển cây Jatropha để làm nguyên liệu sản xuất Diesel sinh học (biodiesel). Hạt Jatropha có hàm lượng dầu trên 30%, sản xuất biodiesel từ cây Jatropha có giá thành rẻ, chất lượng tốt, tương đương với dầu diesel hóa thạch truyền thống. Nghiên cứu này hướng đến tổng hợp biodiesel từ một loại dầu không ăn được là dầu Jatropha (JO). Để đạt được mục tiêu này, một quá trình hai giai đoạn gồm ester hóa xúc tác acid và tiếp theo là transester hóa với methanol xúc tác KOH đã được sử dụng để tổng hợp biodiesel từ dầu Jatropha (JOME). Trên thực tế dầu Jatropha đã được nghiên cứu chuyển hóa thành Biodiesel qua quá trình este hóa và được sử dụng cho động cơ. Biodiesel còn gọi là diesel sinh học hay nhiên liệu sinh học. Diesel sinh học là một loại nhiên liệu có tính chất tương đương với nhiên liệu dầu diesel nhưng không phải sản xuất từ dầu mỏ mà từ dầu thực vật hay mỡ động vật. Nhìn theo phương diện hóa học thì diesel sinh học là Methyl este của những axit béo. Biodiesel là những mono anky este, là sản phẩm của quá trình Este hóa của các axit hưu cơ có nhiều trong dầu mỡ động thực vật. Biodiesel có thể thay thế diesel truyền thống sử dụng trong động cơ đốt trong. Quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học bắt đầu từ dầu thực vật tinh khiết. Quá trình biến đổi Este hóa này cần có cồn (thường là ankanol). Quá trình sản xuất dầu diesel sinh học thể hiện như trên hình 2.4, sự biến đổi este hóa có một chất xúc tác đồng nhất giả định.

33 Hình 2-4. Quá trình sản xuất dầu diesel sinh học Đặc tính của biodiesel: Tính chất vật lý của biodiesel tượng tự như diesel truyền thống nhưng tốt hơn diesel truyền thống về mặt chất thải. Biodiesel khắc phục được những nhược điểm của dầu thực vật như độ nhớt quá lớn (cao gấp 6-14 lần diesel truyền thống), chỉ số cetan thấp … Các loại biodiesel đều có tỷ lệ % trọng lượng oxy khá lớn, đây là điều mà dầu diesel truyền thống không có. Ưu điểm của biodiesel: Biodiesel là nguồn nhiên liệu tái sinh giúp ta chủ động về nhiên liệu không phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu hóa thạch. Biodiesel làm giảm đáng kể thành phần khí thải gây ô nhiễm môi trường và cải thiện môi trường. Biodiesel hoàn toán không chứa lưu huỳnh, biodiesel có những tính chất, đặc tính gần giống Diesel truyền thống thể hiện (bảng 2.6), nó thảo mãn được các yêu cầu của nhiên liệu sử dụng trong động cơ đốt trong. Điểm chớp cháy của Trung hòa + thu hồi ankanol Tách pha Ester hóa Glycerol ankanol TTbiodiesel (tinh khiết 98,5-99,5%) Biodiesel Làm tinh khiết bằng trung hòa DVT tinh khiết DTV Tinh khiết TT DTV Tinh khiết A xít Glycerol thô Sản phẩm phụ 2% Chất xúc tác Ankanol Axít khoáng ankanol (tái chế) ankanol

34 biodiesel cao hơn diesel truyền thống do đó biodiesel an toàn trong bảo quản và vận chuyển. Bảng 2.6. So sánh tính chất của Jatropha methyl este (JOME) và diesel STT Chỉ tiêu Đơn vị Jatropha Methyl este Diesel 1 Điểm chớp cháy 0 C 163 55 2 Độ nhớt ở 40 0 C cSt 4,40 2-4,5 3 Hàm lương tro %kl 0,002 0,01 4 Hàm lượng S %kl 0,004 0,05 5 Điểm vẩn đục 0 C 4 -2 6 Chỉ số cetane 55 46 7 Hàm lượng nước và kết tủa %tt 0,05 0,05 Đối với động cơ khi sử dụng biodiesel: Biodiesel chứa nhiều oxy do đó có thể cháy với dư lượng không khí nhỏ mà vẫn đảm bảo cháy hoàn toàn. Chỉ số etan của biodiesel cao hơn diesel truyền thống một chút, do đó thời gian cháy trễ có lớn hơn, tốc độ chạy máy của biodiesel nhanh hơn diesel, do đó khi sử dụng cần thay đổi góc phun sớm. Độ nhớt của biodiesel gần bằng diesel, để tăng hiệu quả kinh tế và hiệu suất động cơ ta có thể sấy nóng nhiên liệu. 2.2.1.2. Tính chất dầu Jatropha (JO) nguyên chất Nhiên liệu Jatropha được ép trực tiếp từ hạt cây Jatropha có màu vàng. Sau đó lấy mẫu dầu lọc và đưa vào thử nghiệm. Các tính chất vật lý và hóa học đặc trưng cho nhiên liệu Jatropha được trình bày trong (bảng 2.7), (theo kết quả phân tích của phòng thử nghiệm quốc gia dầu mỡ bôi trơn – VILAS 292-PETROLEUM PRODUCTS ANALYSISABORATORY) Bảng 2.7. Kết quả phân tích mẫu nhiên liệu Jatropha STT Tên chỉ tiêu Đơn vị tính Kết quả 1 Độ nhớt động học ở 40 0 C cSt 34 2 Hàm lượng cặn cac bon 0,29

35 3 Nhiệt độ chớp cháy cốc kín 0 C 101 4 Khối lượng riêng ở 15 0 C kg/m 3 918 5 Hàm lượng nước % Vết 6 Hàm lượng lưu huỳnh % 0,033 7 Hàm lượng tro % 0,00 8 Nhiệt trị kJ/kg 39,5 9 Nhiệt độ sôi dầu 0 C 316 Từ kết quả phân tích mẫu nhiên liệu Jatropha trên bảng 2.7. Ta có kết quả so sánh một số tính chất của nhiên liệu Jatropha và Diesel hóa thạch (theo tiêu chuẩn QCVN 1:2009/BKHCN) được trình bày trong (bảng 2.8) Bảng 2.8. So sánh một số tính chất của nhiên liệu Jatropha và Diesel STT Chỉ tiêu Dầu Jatropha Diesel hóa thạch Đơn vị 1 Khối lượng riêng ở 15 0 C 918 830-860 kg/m 3 2 Độ nhớt tại 40 0 C 34 2-4,5 cSt 3 Hàm lượng lưu huỳnh 0,033 0,43 % 4 Số cetane 40 46 - 5 Điểm bốc cháy 101 55 0 C 6 Nhiệt trị 39,5 43 kJ/kg Độ nhớt: Đa số các loại dầu thực vật có độ nhớt cao hơn nhiều so với nhiên liệu Diesel. Chỉ số cetane: Chỉ số cetane của nhiên liệu Jatropha là 40 của dầu Diesel theo tiêu chuẩn QCVN 1:2009 là 46. Như vậy chỉ số cetane của nhiên liệu Jatropha phù hợp sử dụng cho động cơ Diesel, do đó nó không ảnh hưởng nhiều về mặt vận hành động cơ Diesel. Hàm lượng lưu huỳnh: Hàm lượng lưu huỳnh của dầu Jatropha (0,033%) so với dầu Diesel (0,43%) là ưu điểm rất lớn trong việc sử dụng dầu Jatropha để hạn chế chất thải độc hại vào môi trường.

36 Khả năng tự bốc cháy: Chỉ số cetane đặc trưng cho khả năng tự bốc cháy của động cơ Diesel. Nếu chỉ số này càng cao thì động cơ diesel có khả năng tự bốc cháy càng lớn. Như vậy điều kiện tự bốc cháy là nhiên liệu phải có số cetane lớn hơn 45. Trong đó dầu Jatropha có số cetane là 40 có thể thảo mãn điều kiện tự bốc cháy. Nhiên liệu Jatropha có nhiều ưu điểm đối với môi trường so với diesel thông thường. Nhiên liệu Jatropha phát sinh khí thải ít hơn rất nhiều so với nhiên liệu diesel hóa thạch. Nhiên liệu Jatropha gần như không chứa lưu huỳnh, không độc và có thể được dễ dàng phân hủy bằng sinh học. Nhiên liệu Jatropha được coi là một trong những nhiên liệu thân thiện với môi trường. Kết luận: Qua kết quả nghiên cứu và so sánh tính chất của hai loại nhiên liệu bio-oils (dầu Jatropha) và dầu biodiesel (JOME). Chúng đều có tính chất tương đồng như dầu diesel truyền thống. Vì vậy có thể dùng hỗn hợp nhiên liệu bio- oils/biodiesel làm nhiên liệu thay thế dầu diesel sử dụng cho động cơ đốt trong. 2.2.2. Hỗn hợp nhiên liệu bio-oils/biodiesel 2.2.2.1. Xây dựng thuộc tính và thông số nhiệt động của hỗn hợp theo nhiệt độ a) Khối lượng riêng ρ ρ SuO100 = -0,635T + 930,8 (R 2 = 0,997) ρ SoO100 = -0,662T + 931,1 (R 2 = 0,999) ρ CO100 = - 0,66T + 929,3 (R 2 = 0,999) ρ JO100 =-0,615T + 942,1 (R 2 = 0,996) Hình 2-5. Đồ thị khối lượng riêng – nhiệt độ ρ =ρ(T) Khối lượng riêng là một thuộc tính quan trọng của bất kỳ loại nhiên liệu nào, nó tỉ lệ nghịch với nhiệt độ và liên hệ với nhiệt độ theo biểu thức: 800 820 840 860 880 900 920 940 20 40 60 80 100 120 Khối lượng riêng (kg/m 3 ) Nhiệt độ ( 0 C) Đồ thị khối lượng riêng-nhiệt độ ρJo100 ρSuO100 ρSoO100 ρCO100

37 ρ = a – b.T (2.1) a,b là các hằng số thực nghiệm Khối lượng riêng tác động tỉ lệ thuận đến khối lượng phân tử và khả năng bay hơi của nhiên liệu và do đó nó ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình cháy trong động cơ. b) Độ nhớt động học µ Độ nhớt là đại lượng thể hiện khả năng kháng lại tính chảy của chất lỏng. Độ nhớt của nhiên liệu càng cao càng không có lợi khi sử dụng vì nó làm giảm khả năng phân tán khi được phun vào buồng cháy cũng như làm tăng khả năng lắng cặn trong thiết bị. Độ nhớt tỉ lệ nghịch với nhiệt độ, nhiệt độ càng cao thì độ nhớt càng giảm và ngược lại. Để tính toán độ nhớt theo nhiệt độ, đã có một số mô hình như sau: Mô hình hàm mũ µ(T) = A.e -bT (2.2) Mô hình Dutt và Prasad Mô hình này sử dụng các công thức thực nghiệm để tính độ nhớt µ với sai số khoảng 10%. Tuy nhiên mô hình cho kết quả tính nhanh và không phải lựa chọn các hằng số thực nghiệm. )85140/()375500()25,14,1(log SV IV T SV IV SV IV   (2.3) IV là chỉ số iốt; SV là chỉ số xà phòng hóa Mô hình Andrade Mô hình này sử dụng công thức thực nghiệm tính toán độ nhớt theo nhiệt độ với sai số dưới 2%. Tuy nhiên mô hình này chỉ đúng với từng loại nhiên liệu thử nghiệm nên mỗi loại nhiên liệu sẽ có các hệ số thực nghiệm khác nhau. T b A  log (2.4) A, b là các hằng số thực nghiệm

38 µ SuO100 = 78,05.e -0,02T (R 2 = 0,990) µ SoO100 = 68,93.e -0,02T (R 2 = 0,986) µ CO100 = 83,57.e -0,02T (R 2 = 0,993) µ JO100 = 75,76.e -0,02T (R 2 = 0,995) Hình 2-6. Đồ thị độ nhớt – nhiệt độ µ =µ(T) c) Sức căng bề mặt σ Sức căng bề mặt được định nghĩa là lực căng trên một đơn vị chiều dài. Do đó, khi sức căng bề mặt của nhiên liệu lớn, sự phun sương sẽ kém nên 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. Mô hình của Flingoh & Chong Chiew. σ = A – B.T (2.5) A, B là các hằng số thực nghiệm, phụ thuộc vào từng loại nhiên liệu. T là nhiệt độ Kenvin. Mô hình Sudgen   M TP   )( 4/1  (2.6) [P(T)] là tham số phụ thuộc nhiệt độ. M là khối lượng phân tử, g/mol. 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 20 40 60 80 100 120 Độ nhớt µ(mm 2 /s) Nhiệt độ ( 0 C) Đồ thị độ nhớt - nhiệt độ µJo100 µSuO100 µSoO100 µCO100

39 σ JO100 = -0,092T + 35,74 (R 2 = 0,999) σ SuO100 = -0,108T + 40,68(R 2 = 0,995) σ SoO100 = -0,103T + 39,28(R 2 = 0,998) σ CO100 = -0,108T + 38,12 (R 2 = 0,996) Hình 2-7. Đồ thị sức căng bề mặt – nhiệt độ σ =σ(T) 2.2.2.2. Tính toán pha chế hỗn hợp nhiên liệu Từ những đặc tính, tính chất của hai loại dầu trên ta xây dựng công thức tính lựa chọn tỷ lệ hòa trộn hỗn hợp nhiên liệu bio-oils (dầu Jatropha) và dầu biodiesel (JOME) như sau: + Gọi X là % của biodiesel trong hỗn hợp nhiên liệu cần tìm Theo QCVN: 1:2009/BKHCN chỉ số cetan của dầu diesel hóa thạch là: 46 Vậy : CN DO = X% . CN JOME + (1-X)% . CN JO 46 = X% . 55 + (1-X)% . 40 Do đó: X = 40 % Từ kết quả tính ở trên cho ta thấy tỷ lệ pha trộn % của biodiesel trong hỗn hợp nhiên liệu là 40% và % của bio-oils là 60%. + Xác định độ nhớt của hỗn hợp nhiên liệu: Dựa vào các đặc tính, tính chất của từng loại nhiên liệu và dựa vào công thức tính chỉ số cetan của hỗn hợp. Ta xây dựng công thức tính chỉ số độ nhớt của hỗn hợp nhiên liệu. Trong khi đó độ nhớt động học của nhiên liệu hóa thạch ở 40 0 C từ (2,0-4,5) mm 2 /s. Vậy công thức xác định độ nhớt của hỗn hợp nhiên liệu ở 40 0 C là: 15 20 25 30 35 40 20 40 60 80 100 120 Sức căng bề mặt σ(mmN/m ) Nhiệt độ ( 0 C) Đồ thị sức căng bề mặt-nhiệt độ σJo100 σSuO100 σSoO100 σCO100