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
7,135
520
102
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