Tài liệu Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị phối trộn hỗn hợp dầu do, dầu thực vật và chất phụ gia phục vụ nghiên cứu nhiên liệu thay thế động cơ diesel tàu thủy trung cao tốc

i MỤC LỤC Trang MỤC LỤC .................................................................................................................................. i DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN ................................. iv DANH MỤC CÁC BẢNG SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN ................................................. vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN............................................ vi LỜI NÓI ĐẦU........................................................................................................................viii CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG CHO ĐỘNG CƠ DIESEL ................................................................................................................................................... 1 1.1. Tổng quan về động cơ diesel ............................................................................................ 1 1.1.1. Giới thiệu chung về động cơ diesel............................................................................... 1 1.1.2. Động cơ diesel tàu thủy trung và cao tốc..................................................................... 1 1.2. Tổng quan về nhiên liệu sử dụng cho động cơ diesel tàu thuỷ trung và cao tốc .......... 3 1.2.1. Giới thiệu về nhiên liệu.................................................................................................. 3 1.2.2. Chất phụ gia cho nhiên liệu .......................................................................................... 5 1.3. Tổng quan về hướng sử dụng nhiên liệu sinh học cho động cơ diesel tàu thủy trung và cao tốc ....................................................................................................................................... 6 1.3.1. Nhiên liệu sinh học......................................................................................................... 6 1.3.2. Nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh học ................................................................ 7 1.3.3. Dầu thực vật nguyên gốc (SVO).................................................................................... 8 1.3.4. Diesel sinh học (Biodiesel).......................................................................................... 10 1.4. Định hướng và cách tiếp cận nghiên cứu cho luận văn ............................................... 11 1.4.1. Phương pháp sấy nóng nhiên liệu............................................................................... 11 1.4.2. Phương pháp pha loãng .............................................................................................. 12 1.4.3. Phương pháp Craking.................................................................................................. 12 1.4.4. Phương pháp nhũ tương hoá dầu thực vật ................................................................. 12 1.4.5. Phương pháp ester hoá................................................................................................ 13 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐỒNG THỂ NHIÊN LIỆU ............................ 14 2.1. Tính chất của máy đồng thể trong việc chuyển đổi nhiên liệu ..................................... 14 2.1.1. Giới thiệu chung về máy đồng thể............................................................................... 14 ii 2.1.2. Các loại máy đồng thể ................................................................................................. 14 2.1.3. Ứng dụng của máy đồng thể........................................................................................ 19 2.2. Các loại thiết bị khuấy trộn hỗn hợp lỏng thường dùng trên cơ sở máy đồng thể ..... 20 2.2.1. Công dụng và phân loại............................................................................................... 20 2.2.2. Một số thiết bị khuấy trộn sản phẩm lỏng thông dụng .............................................. 21 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ KỸ THUẬT THIẾT BỊ PHỐI TRỘN............................................ 24 3.1. Yêu cầu kỹ thuật của thiết bị........................................................................................... 24 3.2. Xây dựng phương án thiết kế.......................................................................................... 24 3.2.1. Thiết kế hệ thống chung............................................................................................... 25 3.2.2. Xây dựng sơ đồ nguyên lý làm việc của hệ thống ...................................................... 26 3.3. Tính toán các thông số cơ bản của thiết bị.................................................................... 27 3.3.1. Chọn cánh khuấy và tính lực cản trên cánh khuấy .................................................... 27 3.3.2. Tính công suất và chọn động cơ.................................................................................. 29 3.3.3. Thiết kế trục cánh khuấy............................................................................................. 30 3.3.4. Thiết kế gối đỡ trục ..................................................................................................... 32 3.3.5. Thiết kế khớp nối.......................................................................................................... 32 3.3.6. Thiết kế thiết bị điều khiển........................................................................................... 33 3.4. Xây dựng bản vẽ kỹ thuật của thiết bị............................................................................ 41 3.4.1. Xây dựng bản vẽ lắp .................................................................................................... 41 3.4.2. Xây dựng bản vẽ chế tạo các chi tiết cơ bản .............................................................. 43 CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ..................................................................... 48 4.1. Thiết kế chế tạo cánh khuấy ........................................................................................... 48 4.2. Thiết kế chế tạo trục cánh khuấy.................................................................................... 48 4.3. Thiết kế chế tạo các thùng chứa nhiên liệu ................................................................... 48 4.3.1. Thiết kế chế tạo thùng chứa dầu DO và thùng chứa dầu thực vật............................ 48 4.3.2. Thiết kế chế tạo thùng khuấy trộn............................................................................... 49 4.3.3. Thiết kế chế tạo khớp nối............................................................................................. 49 4.4. Thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển................................................................................. 50 4.4.1.Thiết kế chế tạo mạch điều khiển trung tâm và mạch điều khiển động cơ................ 50 4.4.2. Lựa chọn thiết bị .......................................................................................................... 51 iii 4.4.3. Viết chương trình cho vi điều khiển ............................................................................ 57 CHƯƠNG 5. THỬ NGHIỆM VÀ HOÀN CHỈNH THIẾT BỊ............................................... 61 5.1. Thử nghiệm thiết bị ......................................................................................................... 61 5.1.1. Quy trình thử nghiệm thiết bị ...................................................................................... 61 5.1.2. Kết quả thử nghiệm thiết bị ......................................................................................... 62 5.1.3. Thảo luận và đánh giá kết quả .................................................................................... 65 5.2. Hoàn chỉnh thiết bị.......................................................................................................... 66 5.3. Kết luận và đề xuất.......................................................................................................... 67 5.3.1. Kết luận......................................................................................................................... 67 5.3.2. Đề xuất.......................................................................................................................... 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 69 PHỤ LỤC PHỤ LỤC 1: CHƯƠNG TRÌNH VIẾT CHO VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA16 ĐÃ ĐƯỢC BIÊN DỊCH PHỤ LỤC 2: THÔNG SỐ ĐỘ NHỚT THEO NHIỆT ĐỘ CỦA HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DẦU DO, DẦU DỪA VÀ CHẤT PHỤ GIA SAU KHI PHỐI TRỘN PHỤ LỤC 3: CÁC GIÁ TRỊ ĐO KHI CHẠY THỬ NGHIỆM HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DẦU DO, DẦU DỪA VÀ CHẤT PHỤ GIA TRÊN ĐỘNG CƠ 4CHK YANMAR DIESEL DÙNG THIẾT BỊ PHỐI TRỘN PHỤ LỤC 4: CÁC GIÁ TRỊ ĐO KHI CHẠY THỬ NGHIỆM HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DẦU DO, DẦU DỪA VÀ CHẤT PHỤ GIA TRÊN ĐỘNG CƠ 4CHK YANMAR DIESEL KHÔNG DÙNG THIẾT BỊ PHỐI TRỘN PHỤ LỤC 5: THÔNG SỐ ĐỘNG CƠ 4CHK YANMAR DIESEL iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN ADC Bộ chuyển đổi tín hiệu ASTM Tiêu chuẩn theo hiệp hội ô tô mỹ B5 Hỗn hợp nhiên liệu có pha 5% biodiesel còn lại là diesel khoáng B20 Hỗn hợp nhiên liệu có pha 20% biodiesel còn lại là diesel khoáng B100 Hỗn hợp nhiên liệu 100% biodiesel DME Phụ gia dimetyl ete DIN Tiêu chuẩn nhiên liệu của Đức DO Nhiên liệu diesel ECU Bộ điều khiển trung tâm MĐT Máy đồng thể MĐTTĐ Máy đồng thể thủy động LCD Màn hình hiển thị NLSH Nhiên liệu sinh học PN Tiêu chuẩn nhiên liệu của Ba lan SVO Dầu thực vật nguyên gốc (straight vegetable oil) TCVN Tiêu chuẩn việt nam ΓOCT Tiêu chuẩn nhiên liệu của Liên xô v DANH MỤC CÁC BẢNG SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN Bảng 1.1. Các thông số kỹ thuật của các động cơ điesel tàu thuỷ trung- cao tốc Bảng 1.2. Nhiên liệu diesel – PERTROLIMEX Bảng 1.3. Nhiên liệu diesel - ASTM D975 Bảng 1.4. Thành phần hóa học của một số loại dầu thực vật so với dầu diesel Bảng 1.5. Các thông số nhiệt động của một số dầu thực vật so với dầu diesel Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật động cơ servo Bảng 3.2. Các thông số của ổ bi đỡ chặn cỡ nhẹ Bảng 3.3. Các thông số của khớp nối trục đĩa Bảng 3.4. Đặc tính kỹ thuật vật liệu chế tạo dây điện trở (wonfram) Bảng 4.1. Thông số đặc trưng của cảm biến lưu lượng Bảng 5.1. Hàm hồi quy đặc tính không tải vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN Hình 1.1. Cấu tạo động cơ diesel 2 kỳ Hình 1.2. Sơ đồ phân loại dầu diesel Hình 1.3. Sơ đồ phân loại nhiên liệu sinh học Hình 2.1. Sơ đồ máy đồng thể kiểu van Hình 2.2. Sơ đồ máy đồng thể loại quay Hình 2.3. Sơ đồ cấu tạo máy đồng thể loại rung Hình 2.4. Sơ đồ cấu tạo máy đồng thể siêu âm có buồng cộng hưởng Hình 2.5. Máy đồng thể siêu âm Hình 2.6. Sơ đồ cấu tạo máy đồng thể thủy động Hình 2.7. Sơ đồ cơ chế quá trình đồng thể thuỷ động Hình 2.8. Sơ đồ mô hình phá vỡ cấu trúc keo nhựa trong máy đồng thể Hình 2.9. Sơ đồ khuấy trộn tuần hoàn Hình 2.10. Sơ đồ khuấy trộn bằng vòi phun Hình 2.11. Sơ đồ máy khuấy trục nằm ngang Hình 2.12. Máy khuấy trục thẳng đứng Hình 2.13. Máy khuấy cánh mỏ neo Hình 3.1. Hệ thống chung thiết bị phối trộn Hình 3.2. Sơ đồ nguyên lý hệ thống thiết bị phối trộn Hình 3.3. a-cánh khuấy kiểu bánh răng; b-dạng dĩa tua-bin; c- dạng mái chèo Hình 3.4. a-cánh khuấy kiểu chong chóng; b-chong chóng có vành; c-dạng mỏ neo Hình 3.5. Sơ đồ tính lực cản Hình 3.6. Động cơ servo Hình 3.7. Sơ đồ tính toán điện trở nhiệt Hình 3.8. Sơ đồ tính tổn thất nhiệt Hình 3.9. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Hình 3.10. Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển của thiết bị Hình 3.11. Board mạch in mạch điều khiển trung tâm Hình 3.12. Board mạch in mạch điều khiển động cơ vii Hình 3.13. Bản vẽ lắp thiết bị phối trộn Hình 3.14. Bản vẽ chế tạo cánh khuấy Hình 3.15. Bản vẽ chế tạo trục cánh khuấy Hình 3.16. Bản vẽ chế tạo thùng chứa dầu Hình 3.17. Bản vẽ chế tạo thùng khuấy trộn hỗn hợp nhiên liệu Hình 3.18. Bản vẽ chế tạo khớp nối Hình 4.1. Mạch điều khiển trung tâm sau khi chế tạo Hình 4.2. Mạch điều khiển trung tâm kết nối với các khối ngoại vi Hình 4.3. Mạch điều khiển tốc độ động cơ sau khi chế tạo Hình 4.4. Mạch điều khiển động cơ gắn với bộ tản nhiệt và bộ nguồn Hình 4.5. Vị trí và nhiệm vụ của cảm biến Hình 4.6. Cảm biến lưu lượng kiểu tua-bin Hình 4.7. Cảm biến kiểu cặp nhiệt điện Hình 4.8. Công tắc ánh sáng thông suốt Hình 4.9. Công tắc ánh sáng phản chiếu Hình 4.10. Màn hình LCD Hình 4.11. Sơ đồ chân và sơ đồ đóng gói của vi điều khiển Atmega16 Hình 4.12. Sơ đồ cấu trúc của vi điều khiển Atmega16 Hình 5.1. Đồ thị đường cong nhiệt nhớt của hỗn hợp nhiên liệu với các tỷ lệ khác nhau Hình 5.2. Thiết bị phun và kính hiển vi soi mẫu nhiên liệu phun trên giấy bản Hình 5.3. Sơ đồ bố trí thử nghiệm thiết bị Hình 5.4. Đồ thị đặc tính không tải Hình 5.5. Bàn phím giao tiếp trên thiết bị Hình 5.6. Thiết bị được lắp ghép và hoàn chỉnh tại bộ môn Động lực Khoa KTTT-ĐHNT viii LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, nhu cầu sử dụng nhiên liệu gốc dầu mỏ đang gia tăng mạnh mẽ dẫn đến phát sinh nhiều hậu quả không tốt như: Nguồn nhiên liệu cạn kiệt, ô nhiễm môi trường và biến đổi khí hậu ngày càng gia tăng ... Trước thực trạng đó, việc nghiên cứu tìm nguồn năng lượng có khả năng tái sinh thay thế một phần dầu mỏ nhằm làm giảm lượng khí thải độc hại ra môi trường đang được quan tâm đặc biệt. Nhiên liệu sinh học ngoài chức năng như một phụ gia tăng cường oxy cho quá trình cháy, làm giảm ô nhiễm môi trường còn là nguồn nhiên liệu có thể tái sinh nên đã được chú ý nghiên cứu để thay thế nhiên liệu có nguồn gốc từ dầu mỏ. Trong xu hướng đưa nhiên liệu sinh học vào vào đời sống nói chung và sử dụng nhiên liệu sinh học cho động cơ diesel tàu thủy trung-cao tốc nói riêng, vấn đề tạo hỗn hợp nhiên liệu sinh học và dầu DO phù hợp để thay thế được nhiên liệu truyền thống là vấn đề trọng tâm, đã và đang được quan tâm nghiên cứu ở Việt Nam và thế giới. Với mục đích ứng dụng khoa học kỹ thuật vào thực tiễn sản xuất, trong khuôn khổ của luận văn cao học, đề tài “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị phối trộn hỗn hợp dầu DO, dầu thực vật và chất phụ gia phục vụ nghiên cứu nhiên liệu thay thế động cơ diesel tàu thủy trungcao tốc” được thực hiện nhằm giải quyết các vấn đề liên quan trong lĩnh vực nghiên cứu nhiên liệu thay thế động cơ diesel. Với mục tiêu thiết kế, chế tạo thành công thiết bị phối trộn hỗn hợp dầu DO, dầu thực vật và chất phụ gia phục vụ nghiên cứu nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel tàu thủy trung-cao tốc, Luận văn cao học đã triển khai thực hiện các nội dung cơ bản sau : - Tổng quan về nhiên liệu sử dụng cho động cơ diesel tàu thuỷ trung - cao tốc - Tổng quan về thiết bị đồng thể nhiên liệu - Thiết kế kỹ thuật thiết bị - Thiết kế chế tạo thiết bị - Thử nghiệm và hoàn chỉnh thiết bị - Kết luận và đề xuất Xin chân thành cám ơn Thầy PGS-TS Phạm Hùng Thắng, đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn. Cám ơn các quý Thầy Khoa KTTT, Khoa Cơ Khí ĐHNT, các ix bạn Đồng môn, các Kỹ sư xưởng bảo dưỡng Thiết bị - Trung tâm Huấn luyện Thực hành Trường Sỹ quan Không quân đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong quá trình thực hiện đề tài. Trong điều kiện còn nhiều thiếu thốn về các phương tiện, trang thiết bị phục vụ nghiên cứu và trình độ bản thân còn hạn chế nên đề tài tuy đã được hoàn thành nhưng chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong Quý Thầy và các đồng nghiệp đóng góp ý kiến. Nha trang, tháng 3 năm 2011 Mai Đức Nghĩa 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG CHO ĐỘNG CƠ DIESEL 1.1. Tổng quan về động cơ diesel 1.1.1. Giới thiệu chung về động cơ diesel Động cơ diesel là phát minh của Rudolf Diesel, người đã tốt nghiệp Đại học Kỹ thuật ở Munich - Đức, Ông được cấp bằng sáng chế cho động cơ diesel đầu tiên vào năm 1892. Ra đời sớm nhưng động cơ diesel không phát triển mạnh như động cơ xăng do gây ra nhiều tiếng ồn, khí thải bẩn. Tuy nhiên, cùng với sự phát triển của công nghệ, các vấn đề trên đã được giải quyết và động cơ diesel ngày càng được phổ biến rộng rãi. Động cơ diesel hoạt động theo nguyên lý nhiên liệu tự bốc cháy. Nhiên liệu được phun vào buồng nén mà ở đó không khí đã được nén tới áp lực từ 41,5 - 45,5 kg/cm2 và đạt tới nhiệt độ trên 500oC. Nhiệt độ này đủ để làm nhiên liệu tự bốc cháy và khí dãn nở làm tăng áp lực lên tới trên 70 kg/cm2. Áp lực này tác động lên piston và làm piston chuyển động. Chuyển động tịnh tiến của pít tông thông qua cơ cấu trục khuỷ thanh truyền tạo thành chuyển động quay của trục khuỷu. Chính đặc điểm này làm động cơ diesel có hiệu suất sử dụng nhiên liệu cao. Tỷ số nén của động cơ diesel vào khoảng (15-25), cao hơn nhiều so với động cơ xăng (9-13) [1]. Cấu tạo động cơ diesel như trên hình 1.1 [28]. 1.1.2. Động cơ diesel tàu thủy trung và cao tốc Động cơ diesel tàu thuỷ trung và cao tốc thường là động cơ 4 kỳ sử dụng nhiên liệu nhẹ có chất lượng cao và có tốc độ quay trục khuỷu từ 350 đến 1500 vòng/phút. Nếu dùng để lai chân vịt thì thường phải lắp thêm hộp số giảm tốc. Động cơ diesel tàu thủy trung và cao tốc được chế tạo bởi rất nhiều hãng nổi tiếng Hình 1.1. Cấu tạo động cơ diesel 2 kỳ 2 khác nhau trên thế giới như: MANBW, Wartsila, MTU, Deutz, Ailen, RollsRoyce, Ruston, GMT, Semt-pielstick, Yanmar, Daihatsu, Hanshin, Akasaka, Niigata, Caterpillar, Cummins… Ở Việt Nam, động cơ diesel tàu thủy trung - cao tốc được trang bị trên các tàu vận tải ven biển cỡ nhỏ, các tàu đánh cá và được chế tạo bởi rất nhiều hãng như: Yanmar, Daihatsu, kybota, Caterpillar, Cummins… Trên bảng 1.1, trình bày thông số kỹ thuật của các loại động cơ điesel tàu thuỷ trung- cao tốc đang được sử dụng phổ biến tại Việt Nam. Bảng 1.1. Thông số kỹ thuật của các loại động cơ điesel tàu thuỷ trung- cao tốc TT 1 Nước Loại động Đường kính Hành trình Công Tốc độ Chi phí Chi phí sản xuất cơ xilanh piston suất quay nhiên liệu nhiên liệu (mm) (mm) ( KW) (V/ p) giờ (kg/h) 3TE 115 95 24 2000 217 5,21 2 3SME 120 105 33 2200 217 7,16 3 3KDE 170 145 60 1450 217 13,02 4 6LD 180 140 74 900 224 16,58 5 4KDE 170 145 81 1450 217 17,58 6 5KDE 170 145 103 1450 217 22,35 7 6KDE 170 145 121 1450 217 26,26 8 6MHTS 240 200 294 750 217 63,8 4.135G 135 170 66 1500 238 15,71 10 6.135G 175 170 88 1500 238 20,94 11 6D267/330 267 330 184 350 272 50,05 12 6.150C 300 380 294 400 272 79,97 6L110 110 150 66 1500 231 12,25 14 4L160 160 225 99 750 231 15,25 15 6L160 160 225 99 750 231 22,87 6 95/11 95 110 33 1500 258 8,51 17 K152 120 140 59 1500 245 14,46 18 K161 120 140 66 1500 265 17,49 19 K558 120 140 92 1700 299 27,51 20 3Д6 150 180 110 1500 238 26,18 21 6 CЛ18/22 180 220 166 750 238 39,18 22 3Д12 150 180 220 1500 238 52,36 9 13 16 Nhật Bản riêng (g/kwh) Trung Quốc CH Chek LB Nga 3 1.2. Tổng quan về nhiên liệu sử dụng cho động cơ diesel tàu thuỷ trung và cao tốc 1.2.1. Giới thiệu về nhiên liệu Nhiên liệu sử dụng cho động cơ diesel tàu thủy trung và cao tốc là sản phẩm được chưng cất từ dầu mỏ, đó là hỗn hợp phức tạp của các nhóm hydrocacbon khác nhau. Tùy thuộc vào phạm vi nhiệt độ sôi, hàm lượng tạp chất, độ nhớt,… dầu diesel có nhiều tên gọi khác nhau như: gasoil, dầu diesel tàu thủy, dầu solar, mazout, dầu nhẹ, dầu nặng, dầu cặn…Tuy nhiên, để xếp một mẫu dầu diesel vào loại nào, ta phải căn cứ vào chỉ tiêu kỹ thuật của nó được qui định bởi các tổ chức có chức năng tiêu chuẩn hóa (ví dụ: ΓOCT của LB Nga, ASTM của Mỹ, TCVN của Việt Nam, PN của Ba Lan, DIN của Đức…) [12] hoặc các hãng chế tạo động cơ lớn. Các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật thường được thể hiện dưới hình thức một bảng các trị số của các tính chất đặc trưng cho khả năng và hiệu quả sử dụng của một loại nhiên liệu cụ thể vào mục đích xác định. Dưới đây là một số tiêu chuẩn kỹ thuật của nhiên liệu diesel trong bảng 1.2. Tại Mỹ, ASTM (American Society for Testing and Materials) là cơ quan hàng đầu thiết lập các chỉ tiêu kỹ thuật cũng như phương pháp xác định các chỉ tiêu đó đối với hàng loạt các loại sản phẩm, trong đó có sản phẩm dầu mỏ [12]. Theo ASTM-D975, dầu diesel được chia thành 3 nhóm với ký hiệu No.1-D, No.2D và No.4-D như trong bảng 1.3. No.1-D : nhiên liệu dùng cho động cơ diesel làm việc trong những điều kiện tải và tốc độ quay thường xuyên thay đổi. Loại nhiên liệu này thường là sản phẩm chưng cất trực tiếp từ dầu mỏ. No.2-D : nhiên liệu dùng cho động cơ diesel công nghiệp và động cơ xe cơ giới có chế độ làm việc nặng. Loại này thường chứa sản phẩm chưng cất trực tiếp và sản phẩm cracking. No.4-D : nhiên liệu dùng cho động cơ diesel thấp và trung tốc. Loại nhiên liệu này thường là hỗn hợp của sảm phẩm chưng cất trực tiếp hoặc của sản phẩm cracking dầu cặn. 4 Bảng 1.2. Nhiên liệu diesel - PERTROLIMEX Chỉ tiêu kỹ thuật Mức quy định Số Cetane, min 45 48 -t50 290 270 - t90 370 350 Độ nhớt ở 20oC (tương đối oE) 1,2-1,67 1,2-1,67 Nhiệt độ chớp lửa cốc kín[oC], min 60 60 Nhiệt độ đông đặc [oC ], max 9 5 Hàm lượng tro, [% wt ], max 0,02 0,01 Hàm lượng nước, [% vol ] 0,05 0,05 Hàm lượng sulfur, [% wt ], max 1,0 0,5 Khối lượng riêng ở 20oC,[g/cm3], max 0,87 0,87 Ăn mòn đồng, [3h /500C], max N-1 N-1 Thành phần chưng cất, [oC] : max Bảng 1.3. Nhiên liệu diesel - ASTM D975 Chỉ tiêu kỹ thuật Loại nhiên liệu No. 1 – D No. 2 – D No. 4 – D 40 40 30 - Min 1,3 1,9 5,5 - Max 2,4 4,1 24,0 - Min … 282 … - Max 288 238 … Hàm lượng lưu huỳnh, [%wt], max 0,5 0,5 2,0 Hàm lượng nước và cặn, [%vol], max 0,05 0,05 0,05 Hàm lượng coke, [%wt], max 0,15 0,35 … Hàm lương tro, [%wt], max 0,01 0,01 0,10 Số cetan, min Độ nhớt động học ở 40 oC(cSt): Thành phần chưng cất, t90, [oC]: 5 Ngoài ra dầu diesel có thể phân loại theo sơ đồ như hình 1.2. Dầu diesel Dầu cặn Chưng cất Diesel Gasoil Dầu solar Mazout+Gasoil Mazout Hình 1.2. Sơ đồ phân loại dầu diesel Nhiên liệu chưng cất (còn gọi là nhiên liệu nhẹ) chỉ chứa các phân đoạn dầu mỏ được chưng cất trong phạm vi nhiệt độ từ 180 - 400 oC. Dầu cặn (còn gọi là dầu nặng) có thể là mazout thuần tuý hoặc là hỗn hợp của mazout với gasoil. Gasoil là tên gọi thương mại của phân đoạn dầu mỏ có nhiệt độ sôi trong khoảng 180-3800C, chứa các loại hidrocacbon có số nguyên tử cacbon trong phân tử từ 11-18. Gasoil được coi là nhiên liệu thích hợp nhất cho động cơ diesel cao tốc. Dầu solar (còn gọi là dầu diesel tàu thuỷ) là phân đoạn của dầu mỏ có nhiệt độ sôi trong khoảng 300 - 400 oC. Dầu solar được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel có tốc độ quay trung bình và thấp (n < 1000 v/ph). Trong số dầu diesel thông dụng, gasoil là loại có độ nhớt, mật độ và hàm lượng tạp chất ít nhất; còn mazout thì ngược lại nó có các trị số của các tính chất trên cao nhất. 1.2.2. Chất phụ gia cho nhiên liệu Phụ gia là những chất cho thêm vào nhiên liệu với một lượng nhỏ để bảo đảm tính đồng pha, hệ số cháy nổ ổn định, chống oxy hóa... hoặc làm tăng các chất sẵn có và có thể tạo ra những tính chất mới cho nhiên liệu theo mong muốn. Việc sử dụng nhiên liệu cho động cơ tất yếu phải có các phụ gia. Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài chỉ quan tâm đến phụ gia cho nhiên liệu diesel bao gồm: - Phụ gia tăng chị số cetane (isopropyl nitrat, n-butyl nitrat, amy nitrat…) 6 - Phụ gia giảm khói thải đen (nước) - Phụ gia DME giảm thải các chất độc hại - Phụ gia Nano fuel bosster tạo cho quá trình cháy được hoàn toàn hơn. Đây là loại phụ gia được chiết xuất từ dầu cọ, do đó thân thiện với môi trường và cũng là loại phụ gia thường dùng hiện nay. 1.3. Tổng quan về hướng sử dụng nhiên liệu sinh học cho động cơ diesel tàu thủy trung và cao tốc 1.3.1. Nhiên liệu sinh học NLSH là những nhiên liệu có nguồn gốc từ các vật liệu sinh khối như củi, gỗ, rơm, trấu, phân và mỡ động vật... nhưng đây chỉ là những dạng nhiên liệu thô. NLSH dùng cho giao thông vận tải chủ yếu gồm: các loại cồn sản xuất bằng công nghệ sinh học để sản xuất ra Gasohol (Methanol, Ethanol, Buthanol, nhiên liệu tổng hợp Fischer Tropsch), các loại dầu sinh học để sản xuất diesel sinh học (dầu thực vật, dầu thực vật phế thải, mỡ động vật). Hay nói cách khác: NLSH là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc động thực vật (sinh học). Ví dụ như nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa,...), ngũ cốc (lúa mỳ, ngô, đậu tương...), chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân,...), sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải...) [11]. Loại nhiên liệu này có nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại nhiên liệu truyền thống (dầu khí, than đá...) ở chỗ: - Tính chất thân thiện với môi trường: chúng sinh ra ít hàm lượng khí gây hiệu ứng nhà kính và ít gây ô nhiễm môi trường hơn các loại nhiên liệu truyền thống. - Nguồn nhiên liệu tái sinh: các nhiên liệu này lấy từ hoạt động sản xuất nông nghiệp và có thể tái sinh. Chúng giúp giảm sự lệ thuộc vào nguồn tài nguyên nhiên liệu không tái sinh truyền thống. Tuy nhiên, hiện nay vấn đề sử dụng NLSH vào đời sống còn nhiều hạn chế do chưa hạ được giá thành sản xuất xuống thấp hơn so với nhiên liệu hoá thạch truyền thống. Trong tương lai, khi nguồn nhiên liệu truyền thống cạn kiệt, NLSH có khả năng là nguồn thay thế. Các loại nhiên liệu sinh học như: - Xăng sinh học (Gasohol) 7 - Diesel sinh học (Biodiesel) - Khí sinh học (Biogas) Ngoài ra còn một số loại nhiên liệu sinh học rắn mà các nước đang phát triển sử dụng hàng ngày trong công việc nấu nướng hay sưởi ấm là gỗ, than và các loại phân thú khô. 1.3.2. Nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh học Nguyên liệu để sản xuất Nhiên liệu sinh học rất đa dạng, phong phú, bao gồm: - Nông sản: sắn, ngô, mía, củ cải đường… - Cây có dầu: lạc, đậu tương, cây hướng dương, dừa, cọ dầu, jatropha… - Chất thải dư thừa: sinh khối phế thải, rơm rạ, thân cây bắp, gỗ, bã mía, vỏ trấu… - Mỡ động vật: mỡ cá basa, cá tra, mỡ gà… - Dầu tảo - Dầu phế thải: dầu ăn phế thải, dầu từ các nhà máy chế biến dầu mỡ. Tùy theo lợi thế về nguồn nguyên liệu của mỗi quốc gia, người ta lại chọn những loại nguyên liệu phù hợp để sản xuất NLSH. Ví dụ như Brasil sản xuất ethanol chủ yếu từ mía, ở Mỹ là từ ngô [11]. Như vậy, nhiên liệu sinh học là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc từ động, thực vật. Tuỳ thuộc vào phương thức sản xuất và sử dụng. NLSH có thể phân làm 4 nhóm chính như hình 1.3. NHIÊN LIỆU SINH HỌC BIOFUELS DIESEL SINH HỌC Biodiesel DẦU THỰC VẬT NGUYÊN GỐC - SVO Straight Vegetable Oil NHIÊN LIỆU SINH KHỐI Biomass Hình 1.3. Sơ đồ phân loại nhiên liệu sinh học ETANOL 8 Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài chỉ quan tâm đến dầu thực vật nguyên gốc (SVO) và diesel sinh học (Biodiesel) 1.3.3. Dầu thực vật nguyên gốc (SVO) Là loại dầu được chiết xuất, chưng cất và tinh chế từ thực vật, bao gồm hỗn hợp các triglyxerit được chiết xuất từ thân, hạt hoặc cùi quả của một số loại cây có dầu như: dầu dừa, hướng dương, thầu dầu, lạc, đậu nành,... Dầu thu được từ nguyên liệu bằng các phương pháp khác nhau cần phải được xử lý, loại bỏ các tạp chất cơ học, hóa học không mong muốn theo các bước sau: - Lọc - Xử lý hàm lượng axit tự do trong nguyên liệu - Rửa và sấy dầu - Tẩy mầu dầu - Khử mùi 1.3.3.1. Tính chất lý học của dầu thực vật - Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ đông đặc: Vì các dầu có thành phần hóa học khác nhau nên các giá trị nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ đông đặc của chúng không ổn định và thường trong một khoảng nào đó [11]. - Tính tan của dầu thực vật: Là dầu không phân cực. Do vậy, chúng tan rất tốt trong dung môi không phân cực, độ tan của dầu trong dung môi phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. - Mầu của dầu: Mầu của dầu phụ thuộc vào thành phần hợp chất có trong dầu. Dầu tinh khiết không mầu, dầu có mầu vàng là do các carotenoit và các dẫn xuất, dầu có mầu xanh là của clorophin… - Khối lượng riêng: Khối lượng riêng của dầu thực vật thường nhẹ hơn nước, d 20p  0,907  0,971 , dầu có thành phần hydrocacbon càng nhiều thì tỷ trọng càng cao [11]. 1.3.3.2. Thành phần hóa học của dầu thực vật Các loại dầu khác nhau có thành phần hóa học khác nhau. Tuy nhiên, thành phần chủ yếu của dầu thực vật là các glyxerit, nó là các este tạo thành từ axit béo có phân tử 9 lượng cao và glyxerin (chiếm 95-97%). Axit béo là những axit cacboxylic mạch thẳng, có cấu tạo từ 16 đến 30 nguyên tử cacbon, các axit béo có thể no hoặc không no, ngoài các hợp chất chủ yếu ở trên, trong dầu thực vật còn chứa các hợp chất khác như: các chất sáp, chất nhựa, chất mầu, các chất gây mùi…Như vậy, thành phần hóa học của các loại dầu thực vật nói chung gồm 95% các triglyceride và 5% các axid béo tự do [11]. Người ta chia chúng thành ba nhóm: - Nhóm dầu không khô (dầu axit béo bão hòa): Đó là các loại dầu có chỉ số Iốt thấp dưới 95 như dầu dừa, dầu cọ, dầu phụng, dầu ôliu . . . - Nhóm dầu nửa mau khô: Gồm các dầu có chỉ số Iốt từ 95 đến khoảng 130 như dầu cao su, dầu mè, dầu hướng dương, dầu đậu nành, dầu cải dầu, dầu bông, dầu bắp… - Nhóm mau khô: Gồm các dầu có chỉ số Iốt trên 130 như dầu lanh, dầu trẩu . . . Đối với dầu thực vật so với dầu diesel thì lượng chứa C ít hơn 10 - 12%, lượng chứa H ít hơn 5 - 13% còn lượng O thì lớn hơn rất nhiều (dầu diesel chỉ có vài phần ngàn O, còn dầu thực vật có 9 - 11% O) [11], cho nên dầu thực vật là nhiên liệu có chứa nhiều oxy. Chính vì điều này mà dầu thực vật có thể làm việc với lượng dư không khí bé mà vẫn cháy hoàn toàn. Bảng 1.4, giới thiệu thành phần hóa học một vài loại dầu thực vật [11]. Bảng 1.4. Thành phần hóa học của một số loại dầu thực vật so với dầu diesel Thành phần hóa học Dầu Dầu Dầu dừa Dầu diesel hạt bông cải dầu Cac bon 77.25 76.80 72.00 86.60 Hydro 11.66 11.90 12.00 13.40 Oxy 11.09 11.30 16.00 0.00 Tỷ trọng C/H 6.63 6.45 6.00 6.46 Tỉ số lượng không 12.40 12.29 11.83 14.51 khí/Lượng nhiên liệu A/F) 10 Bảng 1.5. Các thông số nhiệt động của một số dầu thực vật so với dầu diesel Loại dầu Khối Độ Chỉ số Điểm Điểm Nhiệt trị lượng nhớt ở cetane đục chớp (Mj/kg; riêng 200C (CN) (0C) lửa (0C) Kcal/kg) (g/cm3) (cSt) Dầu phụng 0.914 85 39-41 9 258 39.33/9410 Dầu cải 0.916 77 38 11 320 37.40/8956 Dầu dừa 0.915 30-37 40-42 20-28 110 37.10/8875 Dầu bông 0.921 73 35-40 -1 243 36.78/8800 Dầu cọ 0.915 95-106 38-40 31 280 36.92/8834 Dầu thầu 0.955 260 38.85/9295 330 37.30/8925 dầu Dầu nành 0.920 58-63 36-38 -4 Dầu diesel 0.836 3-6 45-50 -2 43.80/10478 Từ các tính chất hóa học của dầu thực vật trên cho thấy khối lượng riêng của dầu thực vật lớn hơn dầu diesel từ 6 - 17%. Vì vậy, dẫn đến một điều cần lưu ý là độ nhớt. Độ nhớt dầu thực vật ở nhiệt độ thường cao hơn so với dầu diesel rất nhiều lần. Độ nhớt của dầu ảnh hưởng lớn đến chất lượng phun nhiên liệu và hòa trộn hỗn hợp, do đó ảnh hưởng mạnh đến tính kinh tế và năng lượng của động cơ. Chỉ số cetane của dầu thực vật nhỏ hơn so với dầu diesel, trong số các dầu thực vật nghiên cứu thì dầu dừa có chỉ số cetane gần bằng dầu diesel như trên bảng 1.5. Muốn tăng chỉ số cetane cho dầu thực vật có thể dùng biện pháp thêm chất phụ gia "procetane" hay chuyển chúng thành ester dầu thực vật. Ở nhiệt độ thường thì sức căng bề mặt của dầu thực vật cao hơn so với dầu diesel nhưng ở nhiệt độ cao thì giảm nhanh và đạt giá trị gần bằng dầu diesel. 1.3.4. Diesel sinh học (Biodiesel) 1.3.4.1. Giới thiệu chung về biodiesel Biodiesel là một loại nhiên liệu có tính chất tương đương với nhiên liệu dầu diesel nhưng được sản xuất từ dầu thực vật hay mỡ động vật. Về phương diện hóa học thì Biodiesel là methyl ester của những axít béo. Biodiesel có tiềm năng lớn nhất để làm 11 nhiên liệu tái tạo trong các động cơ diesel. Hiện nay, công nghệ sản suất Biodiesel từ các cây có dầu đang được sử dụng rộng rãi ở châu Âu, Hoa Kỳ, để thay thế một phần nhiên liệu DO. Có được điều này chủ yếu là do các đặc tính thuận lợi của Biodiesel về khả năng pha trộn với nhiên liệu diesel khoáng, thông thường ở các tỷ lệ: B5, B10, B15, B20 để tạo ra nhiên liệu cho động cơ mà chỉ cần điều chỉnh nhỏ động cơ diesel và hệ thống nhiên liệu [11]. 1.3.4.2. Nguyên liệu dùng để sản xuất biodiesel Những loại dầu thực vật có chiết suất lớn dùng để sản xuất biodiesel gồm: Dầu từ hạt những cây có dầu như: Đậu phụng, đậu nành, cải dầu, hạt bông, hướng dương. . . Dầu từ quả của những cây có dầu như: cây dừa, cây cọ…trong đó chúng ta chỉ chú ý đến một vài cây có chiết suất dầu khá lớn là Dừa (60%) và Cọ (50%). Nguyên liệu sản xuất Biodiesel từ động vật là mỡ cá tra, cá basa, mỡ gà, … 1.4. Định hướng và cách tiếp cận nghiên cứu cho luận văn Để sử dụng dầu thực vật làm nhiên liệu cho động cơ diesel tàu thủy trung và cao tốc cần áp dụng những phương pháp xử lý dầu để tính chất của nó gần giống với nhiên liệu diesel. Theo quan điểm khai thác động cơ thì khác nhau cơ bản giữa dầu thực vật và nhiên liệu diesel chính là độ nhớt. Ảnh hưởng của độ nhớt đến làm việc của động cơ thể hiện ở chỗ, làm cho hệ thống nhiên liệu hoạt động không bình thường, làm chất lượng phun và cháy kém hơn. Do chất lượng phun và cháy kém hơn nên các chỉ tiêu của động cơ sẽ giảm đi khi sử dụng dầu thực vật. Vì lý do trên, nên các giải pháp xử lý dầu thực vật đều nhằm làm giảm độ nhớt của dầu. 1.4.1. Phương pháp sấy nóng nhiên liệu Phương pháp này dựa trên đặc tính thay đổi của độ nhớt theo nhiệt độ. Nhiệt độ trong khoảng 30oC - 80oC sẽ làm độ nhớt thay đổi nhiều, ngược lại khi nhiệt độ vượt trên 80oC thì độ nhớt thay đổi rất ít. Độ nhớt của dầu thực vật sẽ giảm khi nhiệt độ tăng lên, bởi vậy sấy nóng được coi là một phương pháp hữu hiệu làm giảm độ nhớt của dầu thực vật. Khi động cơ diesel làm việc ở chế độ ổn định thì nhiệt độ của nhiên liệu ở sau bơm cao áp thay đổi trong phạm vi từ (35 – 40)oC. Trong khoảng nhiệt độ này thì độ nhớt của dầu thực vật thay đổi từ 25-35mm2/s, cao hơn 10 lần so với độ nhớt của dầu diesel. Để đạt