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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM -------- oOo -------- NGUYỄN VĂN CƯƠNG NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HỖN HỢP NHIÊN LIỆU BIO-OILS/BIODIESEL TRÊN ĐỘNG CƠ TÀU THỦY CỠ NHỎ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC MÃ SỐ: 62.84.01.06 CHUYÊN NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ TÀU THỦY LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HOÀNG ANH TUẤN TP. HCM 12 - 2017

LỜI CẢM ƠN Tác giả xin trân trọng cảm ơn đến quý Thầy cô giáo Khoa Máy tàu thủy, Khoa Cơ khí, Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải TP. HCM. Cảm ơn Phòng thí nghiệm động cơ đốt trong, Viện cơ khí động lực, Trường đại học Bách khoa Hà nội đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành các số liệu thực nghiệm và đặc biệt trân trọng cảm ơn Thầy TS. Hoàng Anh Tuấn đã tận tình hướng dẫn trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Xin cảm ơn tới bạn bè và gia đình đã chia sẻ, giúp đỡ động viên trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Mặc dù đã cố gắng hết sức thực hiện đề tài trong phạm vi và khả năng cho phép để đạt kết quả tốt nhất nhưng chắc chắn rằng không tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả rất mong sự thông cảm và đóng góp ý kiến quý báu của quý Thầy cô và bạn bè. Tác giả Ks. Nguyễn Văn Cương

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn này là công trình khoa học do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Hoàng Anh Tuấn. Ngoài các nội dung tham khảo trong tài liệu đã được liệt kê trong phần tài liệu tham khảo, Luận văn này không hề sao chép nội dung của bất kỳ công trình khoa học nào tương tự. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật về những lời cam đoan của mình. Tác giả Ks. Nguyễn Văn Cương

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................... 1 2. Mục đích và yêu cầu của đề tài ........................................................................... 2 2.1. Mục đích ....................................................................................................... 2 2.2. Yêu cầu của đề tài ........................................................................................ 2 3. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiến ................................................................ 3 3.1. Ý nghĩa khoa học ......................................................................................... 3 3.2. Ý nghĩa thực tiễn .......................................................................................... 3 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................... 3 4.1. Đối tượng nghiên cứu .................................................................................. 3 4.2. Phạm vi nghiên cứu ...................................................................................... 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUA VỀ ĐỀ TÀI ..................................................................... 4 1.1. Quá trình phát triển và sử dụng động cơ diesel trên Thế giới và việt Nam ..... 4 1.2. Tổng quan về nhiên liệu sử dụng cho động cơ diesel tàu thủy ........................ 6 1.2.1. Những đặc tính riêng của động cơ diesel tàu thủy .................................... 6 1.2.2. Nhiên liệu dùng cho động cơ diesel tàu thủy ............................................ 9 1.3. Tình hình nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu thay thế trên Thế giới và Việt Nam ....................................................................................................................... 11 1.3.1. Tình hình nghiên cứu trên Thế giới ........................................................ 11 1.3.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam .......................................................... 15 1.4. Kết luận chương 1 .......................................................................................... 19 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................... 21 2.1. Tính chất của nhiên liệu ................................................................................. 21 2.1.1. Tính chất của nhiên liệu diesel (DO) ...................................................... 21 2.1.2. Tính chất của nhiên liệu thay thế Bio-oils/Biodiesel .............................. 25

2.2. Cơ sở lý thuyết sử dụng hỗn hợp nhiên liệu bio-oils/biodiesel thay thế nhiên liệu diesel............................................................................................................... 32 2.2.1. Tính chất của nhiên liệu lựa chọn ........................................................... 32 2.2.1.1. Tính chất Jatropha Methy Este (JOME) .......................................... 32 2.2.1.2. Tính chất dầu Jatropha (JO) nguyên chất......................................... 34 2.2.2. Hỗn hợp nhiên liệu bio-oils/biodiesel ..................................................... 36 2.2.2.1. Xây dựng thuộc tính và thông số nhiệt động của hỗn hợp theo nhiệt độ ................................................................................................................... 36 2.2.2.2. Tính toán pha chế hỗn hợp nhiên liệu .............................................. 39 2.3. Cơ sở lý thuyết tính toán, thiết kế thiết bị hâm nóng đối với hỗn hợp nhiên liệu bio-oils/biodiesel ............................................................................................ 41 2.3.1. Cơ sở tính toán hệ thống hâm nóng nhiên liệu kiểu điện-khí xả ............ 41 2.3.1.1. Tổng quan về thiết bị tận dụng nhiệt khí xả ..................................... 41 2.3.1.2. Tính toán thiết bị tận dụng nhiệt khí xả ........................................... 42 2.3.1.3. Tính toán các thiết bị phụ ................................................................. 49 2.4. Tính toán, thiết kế hệ thống hâm nhiên liệu kiểu khí xả cho động cơ D243 . 50 2.4.1. Xác định các thông số khí xả của động cơ D243 .................................... 50 2.4.2. Tính diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị ..................................... 53 2.4.3. Tính toán két nhiên liệu và tính chọn bơm ............................................. 56 2.4.4. Tính tổn hao áp suất của dòng khí xả qua thiết bị tận dụng nhiệt........... 58 2.4.5. Tính bền bộ tận dụng nhiệt khí xả ........................................................... 59 2.4.5.1. Phương pháp tính độ bền ................................................................. 59 2.4.5.2. Kết quả tính độ bền .......................................................................... 60 2.5. Kết luận chương 2 .......................................................................................... 62 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ...................................................... 63 3.1. Xây dựng mô hình thực nghiệm ..................................................................... 63 3.1.1. Mục đích và phạm vi thử nghiệm ........................................................... 63 3.1.1.1. Mục đích thử nghiệm ....................................................................... 63 3.1.1.2. Phạm vi thử nghiệm ......................................................................... 63

3.1.2. Sơ đồ bố trí và thiết bị thử nghiệm ......................................................... 63 3.1.2.1. Sơ đồ bố trí thử nghiệm.................................................................... 63 3.1.2.2. Thiết bị thử nghiệm .......................................................................... 64 3.1.3. Đối tượng thử nghiệm ............................................................................. 74 3.1.4. Điều kiện và quy trình thử nghiệm ......................................................... 75 3.1.4.1. Điều kiện thử nghiệm ....................................................................... 75 3.1.4.2. Quy trình thử nghiệm ....................................................................... 75 3.2. Phân tích đánh giá kết quả thử nghiệm .......................................................... 76 3.2.1. Công suất của động cơ, Ne (kW) ............................................................ 76 3.2.2. Mômen của động cơ, Me (N.m) .............................................................. 77 3.2.3. Suất tiêu hao nhiên liệu, ge (g/kW.h) ...................................................... 78 3.2.4. Hàm lượng phát thải ................................................................................ 79 3.2.4.1. Phát thải COx ................................................................................... 79 3.2.4.2. Phát thải NOx ................................................................................... 82 3.2.4.3. Phát thải HC ..................................................................................... 83 3.2.4.4. Phát thải khói (BN) .......................................................................... 85 3.3. Kết luận chương 3 .......................................................................................... 86 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN ................................. 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 91

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải Ghi chú IMO Tổ chức hàng hải Quốc tế ISO Tổ chức tiêu chuẩn Quốc tế DO Nhiên liệu nhẹ FO Nhiên liệu nặng HFO Heavy fuel oil MGO Marine gas oil CNG Khí thiên nhiên nén LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng LNG Khí thiên nhiên hóa lỏng ASTM Tiêu chuẩn Hoa kỳ về vật liệu và thử nghiệm QCVN Quy chuẩn Việt Nam TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam V/P Vòng / phút CN Chỉ số cetan CP Điểm vẩn đục PP Điểm đông đặc JO Dầu Jatropha JOME Jatropho Methyl Este GQTK Góc quay trục khuỷu HC Hydrocacbon BN Bosch number SuO Dầu hạt hướng dương SoO Dầu đậu tương CO Dầu dừa

DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Phân loại động cơ diesel tàu thủy ............................................................... 6 Bảng 1.2. Thời gian cấp nhiên liệu phụ thuộc vào tốc độ làm việc ............................ 7 Bảng 1.3. Thông số đặc trưng của dầu diesel số 2 (DO) ............................................ 9 Bảng 1.4. Đánh giá sử dụng diesel sinh học ............................................................. 12 Bảng 2.1. Tiêu chuẩn đối với nhiên liệu diesel hóa thạch ........................................ 24 Bảng 2.2. Tiêu chuẩn đối với diesel sinh học gốc B100 ........................................... 28 Bảng 2.3. Thành phần hóa học của dầu sinh học gốc, diesel sinh học gốc và nhiên liệu diesel D2 ............................................................................................................. 29 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 .................................. 30 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 .............................................................. 30 Bảng 2.6. So sánh tính chất của Jatropha methyl este (JOME) và diesel ................. 34 Bảng 2.7. Kết quả phân tích mẫu nhiên liệu Jatropha............................................... 34 Bảng 2.8. So sánh một số tính chất của nhiên liệu Jatropha và Diesel ..................... 35 Bảng 2.9. Kết quả tính diện tích bề mặt truyền nhiệtcủa thiết bị .............................. 53 Bảng 2.10 Kết quả tính toán két nhiên liệu ............................................................... 56 Bảng 2.11. Kết quả tính chọn bơm ........................................................................... 57 Bảng 2.12. Kết quả tính sức cản tác dụng lên dòng khí lưu động ............................ 58 Bảng 2.13. Kết quả tính bền bộ tận dụng nhiệt khí thải ............................................ 60 Bảng 3.1. Các thông số cơ bản của động cơ diesel D243 ......................................... 74 Bảng 3.2. Giá trị công suất của động cơ ................................................................... 76 Bảng 3.3. Giá trị mô men của động cơ ..................................................................... 77 Bảng 3.4. Suất tiêu hao nhiên liệu theo đặc tính ngoài ............................................. 78 Bảng 3.5. Hàm lượng phát thải CO, ppm.................................................................. 79 Bảng 3.6. Hàm lượng phát thải CO 2 , ppm ................................................................ 81 Bảng 3.7. Hàm lượng phát thải NO x , ppm ................................................................ 82 Bảng 3.8. Hàm lượng phát thải HC, ppm.................................................................. 84

Bảng 3.9. Chỉ số phát thải khói ................................................................................. 85

DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1.Các nhà máy và dự án sản xuất nhiên liệu sinh học ở Việt Nam .............. 18 Hình 2-1. Cấu trúc phân tử của dầu sinh học gốc ..................................................... 25 Hình 2-2. Cấu trúc phân tử của diesel sinh học gốc ................................................. 26 Hình 2-3. Sơ đồ biểu diễn tính chất của diesel sinh học gốc và dầu sinh học gốc ... 31 Hình 2-4. Quá trình sản xuất dầu diesel sinh học ..................................................... 33 Hình 2-5. Đồ thị khối lượng riêng – nhiệt độ ρ =ρ(T) .............................................. 36 Hình 2-6. Đồ thị độ nhớt – nhiệt độ µ =µ(T) ............................................................ 38 Hình 2-7. Đồ thị sức căng bề mặt – nhiệt độ σ =σ(T) ............................................... 39 Hình 2-8. Đồ thị mối liên hệ giữa độ nhớt và nhiệt độ ............................................. 40 Hình 2-9. Tỉ lệ năng lượng nhiệt của động cơ diesel ................................................ 42 Hình 3-1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm trên băng thử động lực cao ETB ......................... 64 Hình 3-2. Hệ thống hâm nóng bằng điện-khí xả thử nghiệm ................................... 65 Hình 3-3. Phòng thử nghiệm động cơ D243 ............................................................. 65 Hình 3-4. Sơ đồ nguyên lý làm mát nước AVL 553 ................................................. 66 Hình 3-5. Sơ đồ nguyên lý thiết bị làm mát dầu AVL 554 ....................................... 67 Hình 3-6. Bộ điều khiển tay ga THA100 .................................................................. 68 Hình 3-7. Sơ đồ xác định lượng hỗn hợp nhiên liệu tiêu thụ cho động cơ D243 ..... 69 Hình 3-8. Mô hình tủ CEB–II ................................................................................... 70 Hình 3-9. Sơ đồ cấu tạo của bộ phận phân tích khí CO ............................................ 71 Hình 3-10. Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích NO và NO x ............................................ 72 Hình 3-11. Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo HC ............................................................ 73 Hình 3-12. Cấu hình thiết bị SPC 472 ...................................................................... 74 Hình 3-13. Đồ thị công suất – vòng quay Ne = f (n) ................................................ 76 Hình 3-14. Đồ thị mô men – vòng quay M = f (n) .................................................... 77 Hình 3-15. Đồ thị suất tiêu hao nhiên liệu theo đặc tính ngoài ................................ 78 Hình 3-16. Đồ thị phát thải CO ................................................................................. 80 Hình 3-17. Đồ thị phát thải CO 2 ................................................................................ 81 Hình 3-18. Đồ thị phát thải NO x ............................................................................... 82