Tài liệu nghiên cứu tỷ lệ pha trộn hợp lý giữa dầu dừa và dầu diesel dùng làm nhiên liệu cho động cơ diesel nhằm cải thiện các chỉ tiêu kinh tế và môi trường

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác. Tác giả Luận án Phùng Minh Lộc LỜI CẢM TẠ Tôi xin chân thành biết ơn TS. Vũ Văn Xứng, Hiệu trưởng Trường Đại học Nha Trang đã cho phép tôi thực hiện Luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Nha Trang, Trưởng khoa Sau Đại học, Trưởng khoa Kỹ thuật Giao thông và Bộ môn Động lực luôn dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành Luận án. Tôi xin tỏ lòng kính trọng và chân thành biết ơn PGS.TS. Nguyễn Thạch đã nhận hướng dẫn tôi thực hiện Luận án này. Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS.Quách Đình Liên, PGS.TS.Nguyễn Văn Nhận, PGS.TS.Trần Gia Thái đã cung cấp tài liệu và đóng góp những ý kiến quý báu về phương pháp luận của Luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS. Phạm Hùng Thắng đã hết lòng tạo điều kiện cho tôi thực hiện đề tài NCKH cấp Bộ hỗ trợ cho việc thực hiện Luận án này. Tôi xin trân trọng cảm ơn TS. Nguyễn Anh Thi, TS. Nguyễn Ngọc Dũng và Phòng Thí nghiệm Trọng điểm ĐCĐT Đại học Quốc gia Tp.HCM đã đắc lực giúp tôi hoàn thành phần thực nghiệm của Luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý Thầy phản biện, quý Thầy trong Hội đồng chấm Luận án đã đồng ý đọc, duyệt và đóng góp ý kiến để tôi hoàn chỉnh Luận án và định hướng nghiên cứu trong tương lai. Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, đồng nghiệp và thân hữu đã ủng hộ, động viên tôi trong suốt thời gian thực hiện Luận án này. Nghiên cứu sinh Phùng Minh Lộc MỤC LỤC Lời cam đoan; Lời cảm tạ Mục lục Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt; Danh mục các bảng; Danh mục các hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU Chương 1- TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC CHO ĐỘNG CƠ DIESEL 1.1. Sử dụng nhiên liệu biodiesel. 1.2. Sử dụng trực tiếp dầu thực vật làm nhiên liệu (SVO). Chương 2- CƠ SỞ LÝ THUYẾT SỬ DỤNG HỖN HỢP DẦU DỪA VÀ DẦU DIESEL LÀM NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ DIESEL 2.1. Nhiên liệu dùng cho động cơ diesel 2.2. Lý thuyết quá trình phun nhiên liệu và cấu trúc tia phun nhiên liệu dầu dừa trong động cơ diesel 2.3. Các vấn đề cần giải quyết khi sử dụng dầu dừa làm nhiên liệu cho động cơ diesel 2.4. Giải pháp sử dụng hỗn hợp dầu dừa và dầu diesel làm nhiên liệu cho động cơ diesel. Chương 3- ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA TỶ LỆ PHA DẦU DỪA VÀO DẦU DIESEL ĐẾN CHỈ TIÊU KINH TẾ VÀ MÔI TRƯỜNG BẰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG. 3.1. Quá trình cháy trong động cơ diesel và mô hình của nó. 3.2. Giới thiệu phần mềm và quá trình mô phỏng 3.3. Phân tích quá trình cháy và đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ hỗn hợp đến chỉ tiêu kinh tế, môi trường bằng phần mềm mô phỏng KIVA-3V. Chương 4- NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA TỶ LỆ PHA DẦU DỪA VÀO DẦU DIESEL ĐẾN CHỈ TIÊU KINH TẾ VÀ MÔI TRƯỜNG. 4.1. Sơ đồ bố trí và thiết bị thực nghiệm AVL 4.2. Phương pháp thực nghiệm 4.3. Kết quả thực nghiệm và bàn luận Chương 5- KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 1 6 6 9 17 19 23 46 54 59 60 85 106 123 123 124 126 143 145 146 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài: Từ những năm 1970, trước áp lực của các cuộc khủng hoảng dầu mỏ và vấn đề giảm thải các chất gây ô nhiễm môi trường, nhiều nước trên thế giới đã hoạch định những chính sách nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học (biofuels) thay thế dần cho nguồn nhiên liệu gốc dầu mỏ trên các động cơ diesel. Bắt đầu từ Châu Âu, đến nay việc sử dụng nhiên liệu sinh học đã được ứng dụng khắp các châu lục. Nhiên liệu sinh học được sản xuất từ các hợp chất có nguồn gốc động hoặc thực vật. Ví dụ, nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động hoặc thực vật (mỡ động vật, dầu dừa,...), ngũ cốc (lúa mì, ngô, đậu tương...), chất thải trong nông nghiệp (rơm, cây bắp,...), sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải...),... Nhiên liệu sinh học có nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại nhiên liệu truyền thống (dầu mỏ, khí đốt, than đá,...) như: - Thân thiện với môi trường, hàm lượng khí gây ô nhiễm và hiệu ứng nhà kính trong khí thải của động cơ ít. - Nguồn nhiên liệu có khả năng tái sinh từ hoạt động sản xuất nông nghiệp, do vậy cho phép giảm sự lệ thuộc vào nguồn tài nguyên nhiên liệu không tái sinh truyền thống. Tuỳ thuộc vào phương thức sản xuất và sử dụng, nhiên liệu sinh học có thể phân làm 4 nhóm chính như sau: NHIÊN LIỆU SINH HỌC BIOFUELS DIESEL SINH HỌC Biodiesel DẦU THỰC VẬT NGUYÊN GỐC - SVO Straight Vegetable Oil NHIÊN LIỆU SINH KHỐI Biomass ETHANOL 2 Hiện nay có thể chia công nghệ sử dụng mỡ động vật và dầu thực vật làm nhiên liệu (với tỷ lệ thích hợp) cho động cơ diesel thành hai hướng chính: (1). Xử lý về mặt hoá học để mỡ động vật và dầu thực vật có được những tính chất tương đương với diesel dầu mỏ (DO). Dầu qua xử lý như vậy gọi là biodiesel. (2). Xử lý về mặt cơ - lý để dầu thực vật đạt được một số yêu cầu cơ bản của nhiên liệu DO. Theo hướng này, công nghệ chủ yếu theo 2 nhánh sau: - Thứ nhất, chế tạo bộ chuyển đổi thành hệ thống nhiên liệu kép hoặc chế tạo bộ phun nhiên liệu chuyên dùng cho SVO thành hệ thống nhiên liệu đơn. - Thứ hai, tạo hỗn hợp dầu thực vật với dung môi có độ nhớt thấp (như: dầu hỏa, ethnol, dầu diesel...), và chất phụ gia đạt tiêu chuẩn nhiên liệu dùng cho động cơ diesel. Trong đề tài này, NCS chọn giải pháp tạo hỗn hợp vì: - Việc chế tạo, lắp đặt thêm bộ chuyển đổi hoặc bộ phun chuyên dùng SVO có khả năng sử dụng đến 100% dầu thực vật nguyên chất nhưng sẽ làm đội giá thành hệ thống nhiên liệu, gây phức tạp trong sử dụng. - Không cần có nhà máy xử lý với quy mô công nghiệp như Biodiesel, hiện giá thành thiết bị còn rất cao (30.000 EU cho thiết bị có năng suất 50lít/ mẻ). Mặt khác, biodiesel dễ bị nhiễm khuẩn làm giảm sút chất lượng trong bảo quản, thời gian bảo quản được khuyến cáo là dưới 1 năm với chế độ nghiêm ngặt, điều này chưa phù hợp với trình độ kỹ thuật ở nước ta. Trong khi đó dầu thực vật được bảo quản trong điều kiện thông thường. Ở một số động cơ, dầu biodiesel làm hư hỏng vật liệu cơ bản tổng hợp PVC, các ống dẫn cao su, vòng đệm. Chưa tìm thấy công trình nào công bố tác hại tương tự khi sử dụng công nghệ tạo hỗn hợp. - Sử dụng trực tiếp dầu thực vật từ các cơ sở sản xuất dầu hiện có, đặc biệt là dầu không ăn được, tạo hỗn hợp với chất phụ gia và nhiên liệu DO sẽ hạ giá đầu vào nhiên liệu. Giải pháp này không đòi hỏi người sử dụng trình độ cao, rất phù hợp với điều kiện nước ta. 3 Trong lĩnh vực Nông - Lâm - Ngư và giao thông ở Việt Nam, động cơ diesel được sử dụng rất phổ biến (trên 90%). Đến tháng 10/2011 cả nước có gần 500.000 máy kéo các loại sử dụng trong nông nghiệp, với tổng công suất trên 5 triệu mã lực (CV); 580.000 máy tuốt đập lúa; 17.992 máy gặt lúa các loại...Đến cuối năm 2008, số lượng tàu cá Việt Nam lên đến 128.000 chiếc với tổng công suất trên 6.784.000 cv (bình quân 53 cv/chiếc). Ngoài ra, tàu giao thông vận tải đường sông, dịch vụ du lịch... cũng có số lượng rất lớn. Như vậy, nếu dùng dầu thực vật làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel sẽ tiết kiệm được một lượng ngoại tệ lớn cho quốc gia và hạn chế ô nhiễm môi trường. Dầu thực vật Việt Nam được chế biến từ các nguyên liệu có nguồn gốc thực vật gồm: đậu nành, đậu tương, đậu phụng (lạc), vừng, dừa, cám gạo…trong đó phổ biến nhất là dầu dừa [2]. Dầu dừa có độ nhớt, khối lượng riêng, điểm chớp lửa thấp nhất, chỉ số cetan cao nhất. Đây là lợi điểm đáng kể khi sử dụng làm nhiên liệu thay thế, hơn nữa sản lượng dầu dừa đứng đầu trong 3 loại dầu thực vật phổ biến ở Việt Nam. Gần đây xuất hiện thêm một số loại dầu không ăn được như: dầu cây cọc rào (jatropha), dầu cây rong tảo,…đầy tiềm năng nhưng chưa thành thương phẩm. Từ những luận cứ trên, thấy rằng: “Nghiên cứu tỷ lệ pha trộn hợp lý giữa dầu dừa và dầu diesel dùng làm nhiên liệu cho động cơ Diesel nhằm cải thiện các chỉ tiêu kinh tế và môi trường” là rất cấp thiết trong bối cảnh hiện nay. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ pha dầu dừa vào dầu diesel đến các chỉ tiêu kinh tế và môi trường trên động cơ diesel, từ đó xác định công thức hỗn hợp làm tham số đầu vào cho việc thiết kế Hệ thống nhiên liệu chuyển đổi. Để giải quyết mục tiêu của đề tài, NCS đặt ra giả thuyết: - Động cơ diesel có thể hoạt động được nếu sử dụng nhiên liệu mới có đặc tính (chủ yếu là độ nhớt và chỉ số cetan) tương đương nhiên liệu truyền thống. - Chỉ tiêu kinh tế và môi trường của động cơ sẽ thay đổi theo tính chất nhiên liệu. 3. Đối tượng nghiên cứu: Nhiên liệu thay thế dùng cho động cơ diesel 4. Phạm vi nghiên cứu: Hỗn hợp dầu dừa, chất phụ gia và dầu diesel làm nhiên liệu cho động cơ diesel. 4 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: 1. Về khoa học - Xây dựng cơ sở lý thuyết sử dụng hỗn hợp dầu dừa, dầu diesel làm nhiên liệu cho động cơ diesel; - Xác định các điều kiện mô phỏng (điều kiện ban đầu và điều kiện biên) khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dầu dừa với dầu diesel; - Xác định yếu tố điều chỉnh chính của nhiên liệu hỗn hợp cho quá trình mô phỏng là thời gian phun và thời gian cháy trễ thông qua tính chất nhiên liệu là độ nhớt và chỉ số cetan; - Xác lập công thức tính và xây dựng các thông số nhiệt động cho nhiên liệu hỗn hợp: dầu dừa, dầu diesel và chất phụ gia làm nhiên liệu cho động cơ diesel; - Dẫn liệu khoa học về kết quả chạy thử nghiệm nhiên liệu hỗn hợp từ dầu dừa, dầu diesel và chất phụ gia trên cụm thử nghiệm chuyên dùng AVL. 2.Về thực tiễn - Đề xuất giải pháp sử dụng nhiên liệu hỗn hợp cho các động cơ diesel; - Chuyển đổi hệ thống nhiên liệu động cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu hỗn hợp dầu dừa, chất phụ gia và dầu diesel. Góp phần khai thác nhiên liệu sinh học cho động cơ diesel để thay thế một phần nguồn nhiên liệu truyền thống đang ngày càng khan hiếm và giảm ô nhiễm môi trường. Các đóng góp này có thể vận dụng trong nghiên cứu nhiên liệu thay thế từ các loại dầu thực vật khác nhau, giúp giảm thời gian và chi phí thực hiện. 6. Phương pháp nghiên cứu 1. Nghiên cứu lý thuyết: - Nghiên cứu tài liệu về những lý thuyết hiện đại đã và đang được phát triển trên thế giới về các quá trình phun nhiên liệu, hình thành hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel khi sử dụng nhiên liệu thay thế. - Phân tích lựa chọn mô hình toán hợp lý trong ứng dụng xác định thông số của tia phun nhiên liệu dầu dừa so với nhiên liệu diesel làm cơ sở cho giải pháp sử dụng nhiên liệu hỗn hợp. 5 - Mô phỏng bằng phần mềm ảnh hưởng của tỷ lệ pha dầu dừa vào dầu diesel đến quá trình cháy trong động cơ diesel làm cơ sở chọn số mẫu nhiên liệu thực nghiệm. 2. Nghiên cứu thực nghiệm: - Xác định tương quan nhiệt - nhớt của các mẫu nhiên liệu hỗn hợp ứng với các tỷ lệ pha khác nhau, từ đó xác định khoảng tỷ lệ pha hợp lý - So sánh và kiểm chứng đặc tính công suất, đặc điểm quá trình cháy; Khảo sát chỉ tiêu kinh tế và môi trường của động cơ khi sử dụng dầu diesel và các mẫu nhiên liệu hỗn hợp trên băng thử chuyên dùng; Kiểm chứng với kết quả mô phỏng. 7. Nội dung nghiên cứu 1. Tổng luận và nghiên cứu cơ sở lý thuyết sử dụng hỗn hợp dầu dừa và dầu diesel làm nhiên liệu cho động cơ diesel; 2. Lựa chọn mô hình toán và mô phỏng quá trình phun và cháy nhiên liệu hỗn hợp dầu dừa - dầu diesel trong động cơ diesel; 3. Đánh giá chỉ tiêu kinh tế và môi trường khi thay đổi tỷ lệ pha dầu dừa vào dầu diesel trên động cơ diesel. 8. Kết cấu Luận án Luận án được kết cấu thành 5 chương: 1. Tổng quan về sử dụng nhiên liệu sinh học cho động cơ diesel. 2. Cơ sở lý thuyết sử dụng hỗn hợp dầu dừa và dầu diesel làm nhiên liệu cho động cơ diesel. 3. Đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ pha dầu dừa vào dầu diesel đến chỉ tiêu kinh tế và môi trường của động cơ diesel bằng phần mềm mô phỏng. 4. Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của tỷ lệ pha dầu dừa vào dầu diesel đến chỉ tiêu kinh tế và môi trường của động cơ diesel. 5. Kết luận và kiến nghị. 9. Hạn chế của Luận án Luận án chưa nghiên cứu giải quyết được các vấn đề có liên quan như: Công thức phân tử của nhiên liệu hỗn hợp; Độ ổn định của nhiên liệu hỗn hợp theo thời gian và điều kiện bảo quản. 6 Chương 1- TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC CHO ĐỘNG CƠ DIESEL Hiện nay có nhiều ứng dụng nhiên liệu thay thế cho các động cơ, ví dụ Brazin là nước đi đầu trong việc phát triển các loại nhiên liệu sạch từ mía, Brazin hiện có tới 90% ô tô sử dụng nhiên liệu sạch và nhiên liệu sạch pha với nhiên liệu có nguồn gốc dầu mỏ, với 5 nhà máy cung cấp sản lượng khoảng 49 triệu lít/năm. Thị trường châu Âu cũng không nhỏ khi nghị định Kyoto được đưa vào thực hiện, các quy chế ngặt nghèo về khí thải, gần đây là chỉ thị 2003/30/EC, theo đó từ ngày 31/12/2005 có ít nhất 2% và đến 31/12/2010 ít nhất 5,75% nhiên liệu dùng trong vận tải phải có nguồn gốc tái tạo. Tại Đức chỉ thị trên đã được thực hiện sớm hơn, tiếp theo là Áo và Pháp với nhiên liệu chứa 5% có nguồn gốc tái tạo đã được bán. Ở Mỹ, Áo đã cho động cơ diesel ôtô chạy bằng dầu thực vật từ nhiên liệu là dầu ăn thải ra từ trong các nhà hàng. Achentina đã tìm cách phát triển công nghệ sản xuất năng lượng thay thế từ đậu nành với chi phí sản xuất chỉ bằng ½ so với dầu diesel truyền thống (DO). Nước Anh cũng đã sản xuất nhiên liệu thay thế từ hạt hướng dương, hạt thầu dầu và hạt cọ, sản xuất ethanol từ lúa mì và mía. Gần đây, đã có một số công trình bắt đầu nghiên cứu và công bố sản xuất nhiên liệu sinh học từ rong tảo. Như vậy, khái niệm cũng như công nghệ chế biến và sử dụng nhiên liệu sinh học cho động cơ diesel là khá rộng. Phạm vi của đề tài này chỉ đề cập đến nhiên liệu lỏng: biodiesel và SVO. 1.1. Sử dụng nhiên liệu 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. Nguyên liệu sản xuất biodiesel từ động vật là mỡ cá tra, cá basa, mỡ gà,… còn từ thực vật: dầu dừa, dầu đậu nành, dầu hạt cải, dầu hướng dương, dầu mè, dầu lạc,… Biodiesel có tiềm năng lớn để làm 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, châu Mỹ để thay thế một phần nhiên liệu DO (Diesel Oil). Có được 7 điều này chủ yếu là do các đặc tính thuận lợi của biodiesel về khả năng pha trộn với nhiên liệu diesel thông thường và chỉ cần điều chỉnh nhỏ hệ thống nhiên liệu. Có hai tiêu chuẩn phát triển dầu diesel sinh học chính là ASTM-D6751 của Mỹ và EN-14214 của Liên minh Châu Âu. Theo đó, quá trình sản xuất diesel sinh học bắt đầu từ dầu thực vật nguyên chất hoặc các chất béo đã qua sử dụng. Các cấu trúc phân tử phân nhánh lớn của dầu thực vật được chuyển sang các cấu trúc phân tử mạch thẳng ngắn hơn gọi là các ester methyl - hoặc ethyl giống như các thành phần của dầu diesel truyền thống. Dầu(mỡ)+Methanol Xúc tác kiềm Gạn Pha ester Pha glycerine Xúc tác kiềm Gạn Pha glycerine Pha ester Lọc Bay hơi Sản phẩm cuối cùng Hình 1-1. Sơ đồ ester hóa. Sơ đồ phương pháp ester hoá trình bày trên Hình 1-1: Glycerine dễ dàng được tách ra khỏi ester và sử dụng trong các ngành công nghiệp khác. Nguồn nguyên liệu cho sản xuất dầu diesel sinh học hiện nay ở các nước đi tiên phong chủ yếu là bốn loại thực vật: dầu hạt cải chiếm gần 85%, dầu hạt hướng dương, dầu đậu tương và dầu cọ. Các nguyên liệu còn lại được sản xuất từ dầu hạt lanh, mỡ bò, và dầu, mỡ rán tái chế. Tuy nhiên, bốn loại thực vật chính sử dụng để sản xuất dầu diesel sinh học đang được trồng chủ yếu cho nhu cầu thực phẩm của con 8 người và trong các ứng dụng công nghiệp khác nhau. Điều này dẫn đến sự cạnh tranh trên thị trường dầu ăn. Gần đây xuất hiện hướng nghiên cứu đáng chú ý là sản xuất biodiesel từ dầu không ăn được, chúng rẻ hơn nhiều so với dầu thực phẩm, chẳng hạn như cây “đậu vật lý”, có tên gọi dân gian là “cọc rào”, tên khoa học là Jatropha Curcas. Dầu của đậu này không thể dùng cho thực phẩm vì nó chứa độc tố toxalbumine. Sự khảo sát về các đặc tính nhiên liệu của ester-methyl và ester-ethyl từ Jatropha đã cho nhiều kết quả tốt (xem Bảng 1.1). Bảng 1.1: Thông số nhiệt động của một số methyl ester và dầu diesel. Thông số Methyl jatropha Methyl dầu dừa Dầu diesel Khối lượng riêng, (g/cm3) 0,88 0,886 0,870 Độ nhớt ở 20oC, (cSt ) 7,09 5,3 5,3 Điểm đục, (0C) 2-4 -2 -2 Nhiệt độ chớp lửa, (0C) 191 93 60 Cặn 1,2 0,7 < 0,01 Chỉ số cetan 43 43 45  50 Nhiệt trị, (MJ/kg) 38.500 37,835 43,805 Thêm vào đó, các chất béo động vật và dầu cá là sản phẩm phụ từ các ngành công nghiệp đánh bắt và chế biến thuỷ sản là nguyên liệu hứa hẹn cho sản xuất biodiesel vì giá của chúng thấp. Các chất béo và dầu có nguồn gốc động vật đã được thử nghiệm làm nguyên liệu sản xuất alkyl ester, bao gồm mỡ bò, mỡ heo, dầu cá. Tuy nhiên, dầu diesel sinh học sản xuất từ các chất béo động vật có một số tồn tại. Nhược điểm chính là do thành phần a xít béo và đặc biệt là độ bão hoà. Các mỡ động vật thường có độ bão hoà cao dẫn tới ester - methyl có nhiều tính chất xấu ở nhiệt độ thấp. Ưu điểm chính của biodiesel (các thông số cho ở Bảng 1.2) là có thể sử dụng trong các động cơ diesel thông dụng mà không cần cải tạo lớn. Diesel sinh học hoà trộn tốt với nhiên liệu DO và hỗn hợp này có tính ổn định lâu dài. Các hỗn hợp có hàm lượng dầu diesel sinh học thấp có thể dùng thay thế trực tiếp nhiên liệu diesel trong hầu hết các động cơ diesel mà không cần điều chỉnh. 9 Nhược điểm chính của biodiesel là: - Phải xử lý hoá học, đầu tư dây chuyền công nghệ làm gia tăng giá thành nhiên liệu. - Biodiesel hoạt động như một chất hoà tan, nên pha vào dầu diesel (DO) với tỷ lệ cao không tương thích với một số loại hợp chất nhựa tổng hợp và cao su tự nhiên và chúng bị hỏng sau một thời gian. - Dầu diesel sinh học có tốc độ lão hoá cao, nó bắt đầu xuống cấp và tạo thành các chất lắng đọng có thể làm hỏng hệ thống phun nhiên liệu. Nhìn chung, lưu kho một năm được coi là có thể chấp nhận được nhưng phải đảm bảo hạn chế tối đa sự tiếp xúc với ánh sáng, không khí và nước. Bảng 1.2: Thông số biodiessel (TCVN 7717-07) Thông số Mức Hàm lượng ester Khối lượng riêng tại 150C, kg/ m3 96,5 EN 14103 860-900 min Phương pháp thử TCVN 6594 Điểm chớp cháy, 0C min 13,0 TCVN 2693 Nước và cặn, % thể tích max 0,05 ASTM D2709 Độ nhớt động học tại 400C, cSt 1,9-6 TCVN 3171 Tro, sulphat, % khối lượng max 0,02 TCVN 2689 Lưu huỳnh, % khối lượng, ppm max 0,05 ASTM D5453 Ăn mòn đồng No1 TCVN 2694 47 TCVN 7630 Trị số cetan min Cặn cacbon, % khối lượng max 0,05 ASTM D4530 Trị số axit, mgKOH/g max 120 EN 1411 Nhiệt độ chưng cất, 90% thu hồi max Na và Ka, mg/kg 360 max 5,0 ASTM D1160 EN 1408 Sự tiêu chuẩn hoá các yêu cầu về chất lượng nhiên liệu được coi là một bước quan trọng để phát triển ứng dụng biodiesel. 10 Cuối cùng, một đạo luật về chất lượng nhiên liệu biodiesel ở Châu Âu (2003/17/EC) chấp nhận tỷ lệ pha trộn đến 5% cho tất cả các loại động cơ ôtô và các nhà chế tạo bơm phun nhiên liệu. 1.2. Sử dụng trực tiếp dầu thực vật làm nhiên liệu (SVO) Bên cạnh biodiesel còn có nhiều công trình nghiên cứu lắp đặt thêm cụm thiết bị chuyển đổi để động cơ diesel có thể hoạt động trực tiếp với dầu thực vật hoặc hỗn hợp giữa chúng với chất pha mà không cần chế biến thành biodiesel. Công nghệ này được gọi là “sử dụng trực tiếp dầu thực vật” (Straight Vegetable Oil) gọi tắt là SVO. 1.2.1. Sử dụng dầu thực vật nguyên chất. Theo cách này, dầu thực vật có thể được sử dụng trực tiếp cho các động cơ diesel không cần sử dụng phụ gia hoặc xử lý hoá học như biodiesel. SVO cho các động cơ diesel trên thế giới được chiết xuất từ hạt cải, hạt hướng dương, đậu tương, cọ, dừa, đậu phụng,… Trên 30 loại dầu thực vật đã được sử dụng trên động cơ diesel từ những năm 1900 (Quick, 1980). Sự thành công của chiếc động cơ ban đầu mở ra hứa hẹn cho các loại dầu này có tiềm năng to lớn làm nhiên liệu thay thế. Những thử nghiệm động cơ đã chứng tỏ rằng các động cơ diesel chưa cải tiến có thể hoạt động được với SVO, nhưng còn một số vấn đề phát sinh chủ yếu ở bộ phận phun nhiên liệu, xecmăng và sự ổn định của dầu bôi trơn. Từ những năm 1970, nhiều công trình nghiên cứu cải tiến động cơ diesel để sử dụng SVO. Công ty Elsbett (Đức) đã đi tiên phong về công nghệ này, động cơ "Elsbett" của công ty này là động cơ ô tô diesel đầu tiên trên thế giới sử dụng SVO. Viện nghiên cứu Southwest, Reid và các cộng sự (1982) đã đánh giá tính chất hóa học của 14 loại dầu thực vật. Các nghiên cứu quá trình phun cho thấy dầu thực vật khác xa với dầu diesel truyền thống. Sự khác biệt này gây ra chủ yếu là do độ nhớt cao của chúng. Các thử nghiệm trên động cơ chỉ ra rằng mức độ tạo muội than trong động cơ sẽ giảm nếu như dầu thực vật được hâm nóng trước khi cháy trong buồng đốt. Và cũng cho thấy rằng mức độ tạo muội trong buồng đốt trong động cơ sẽ khác nhau với các loại dầu khác nhau khi có độ nhớt như nhau. Điều này chứng tỏ rằng thành phần của dầu thực vật là một yếu tố quan trọng. 11 Goering và cộng sự (1981) đã nghiên cứu tính chất của 11 loại dầu thực vật để xác định loại dầu nào thích hợp nhất để làm nguồn nhiên liệu thay thế. Trong 11 loại dầu thực vật gồm bắp, hạt cải, mè, hạt bông và đậu nành có được những tính chất nhiên liệu thích hợp nhất. Bacon và cộng sự (1981) đã đánh giá nhiều loại dầu thực vật để làm nguồn nhiên liệu. Động cơ ban đầu thử nghiệm sử dụng các loại dầu thực vật cho thấy có thể chấp nhận được, với lưu ý là khi sử dụng các loại dầu này sẽ gây ra quá trình tạo carbon trong buồng đốt động cơ. Tiếp tục cho động cơ hoạt động ở các tải bộ phận với tốc độ quay bằng ½ tốc độ quay định mức, thấy rằng quá trình tạo muội than tăng lên rất nhanh ở đầu vòi phun. Tuy mới thử nghiệm với thời gian ngắn, nhưng kết quả nhận được nhiều hứa hẹn, Bacon khuyến cáo cần thử nghiệm động cơ với thời gian dài để xác định tổng thể ảnh hưởng của dầu thực vật làm nhiên liệu thay thế cho dầu diesel Bruwer và cộng sự (1980) đã nghiên cứu sử dụng dầu hạt hoa hướng dương như là loại nhiên liệu tái tạo. Khi vận hành trên máy cày với 100% dầu hạt hoa hướng dương thay cho dầu diesel truyền thống, sau 1000 giờ hoạt động công suất động cơ bị suy giảm 8%. Sự mất mát công suất này được sửa chữa bằng cách thay thế bộ bơm cao áp (BCA) và vòi phun (VP) khác. Sau 1.300 giờ hoạt động, sự bám muội than trong động cơ được đánh giá là tương đương với 100% nhiên liệu diesel, ngoại trừ đầu vòi phun có sự bám muội than quá mức. Ở Đức, Schoedder (1981) sử dụng dầu hạt cải thay thế cho nhiên liệu diesel nhận được các kết quả khác nhau. Thử nghiệm trên động cơ ngắn hạn đã thể hiện dầu hạt cải sản sinh năng lượng tương tự như nhiên liệu diesel. Động cơ thử nghiệm dài hạn lần đầu đã cho thấy phát sinh những khó khăn sau 100 giờ hoạt động vì sự bám muội than trên piston, xupap, và vòi phun. Auld và cộng sự (1982) sử dụng dầu hạt cải làm nhiên liệu thay thế trên động cơ diesel. Sự phân tích của dầu hạt cải đã chỉ ra mối quan hệ giữa độ nhớt và axit béo mạch dài. Công suất và moment xoắn của động cơ khi chạy với dầu hạt cải tương tự như với nhiên liệu diesel. Các kết quả thử nghiệm ngắn hạn đã cho thấy trong tương lai cần phải đánh giá tính bền lâu của động cơ. 12 Bettis và cộng sự (1982) đã đánh giá dầu hoa hướng dương, dầu hạt rum (safflower) và dầu hạt cải như là nguồn nhiên liệu lỏng có khả năng chấp nhận được. Các dầu thực vật này có nhiệt trị bằng (94  95)% nhiên liệu diesel và độ nhớt lớn hơn xấp xỉ 15 lần. Thử nghiệm ngắn hạn trên động cơ có kết quả công suất khi sử dụng dầu thực vật tương đương với nhiên liệu diesel, nhưng các thử nghiệm dài hạn cho thấy muội than đóng nhiều trong buồng đốt. Engler và cộng sự (1983) đã sử dụng dầu thô hoa hướng dương và dầu hạt bông (cottonseed) làm nhiên liệu thay thế cho dầu diesel nhưng kết quả không tốt. Thử nghiệm động cơ với dầu thực vật đã qua xử lý cho thấy kết quả tốt hơn nhiên liệu diesel một ít. Tuy nhiên, sự bám muội than và làm bẩn dầu bôi trơn là vấn đề cần được lưu ý. Pryor và cộng sự (1983) tập trung thử nghiệm ngắn hạn và dài hạn khi sử dụng 100% dầu đậu nành trên các động cơ nhỏ. Các kết quả khi thử nghiệm ngắn hạn cho thấy sự làm việc với dầu đậu nành tương đương với nhiên liệu diesel. Tuy nhiên, khi thử nghiệm dài hạn phải bị bỏ dở do mất mát công suất và muội than bám đầy trên vòi phun. Yarbrough và cộng sự (1981) có kết quả tương tự khi thử nghiệm sáu mẫu dầu hoa hướng dương thay thế nhiên liệu diesel trên động cơ. Kết quả cho thấy các dầu hướng dương thô không thích hợp làm nhiên liệu, ngược lại dầu này đã qua tinh chế đều thoả mãn để làm nhiên liệu thay thế. Pryde (1982) đã tổng quan trong bài viết về sự thành công và thiếu sót cho việc nghiên cứu nhiên liệu thay thế. Bài báo này đưa tình trạng thử nghiệm động cơ ngắn hạn khi sử dụng dầu thực vật như là nguồn nhiên liệu nhiều hứa hẹn. Tuy nhiên, thử nghiệm dài hạn cho thấy có vấn đề về tuổi thọ khi dùng dầu thực vật vì phải đối đầu với sự tạo muội than quá mức và làm bẩn dầu bôi trơn. Khác với Châu Âu, các nước Châu Á và Thái Bình Dương sử dụng SVO chủ yếu là dầu dừa. Các nước thuộc quần đảo Thái Bình Dương (Pacific Islands Countries) là những ví dụ điển hình. Đó là các trạm phát điện ở Ouvéa, New Caledonia, sử dụng nhiên liệu dầu dừa nguyên chất để chạy động cơ diesel vào năm 1990. Ở Welagi, Taveuni, Fiji một trạm diesel - máy phát điện 45kVA sử dụng 13 nhiên liệu dầu dừa bắt đầu hoạt động vào 07/2001 cung cấp cho 58 hộ gia đình và sau đó một trạm diesel phát điện khác có công suất 55 kVA được đưa vào sử dụng. Ở Sawana, Vanua, Balavu trạm diesel phát điện sử dụng dầu dừa nguyên chất làm nhiên liệu có công suất 95 kVA. Trong số các nước đảo nam Thái Bình Dương sử dụng dầu dừa để chạy máy phát điện phải kể đến hai trạm phát điện có công suất lớn đến 750 kVA được vận hành bởi Enercal ở Ouvéa, New Caledonia trong 10 năm gần đây và trên cụm phát điện Cummin 400kVA ở Savai’i [7]. Ở các nước này cũng phát triển nhiên liệu dầu dừa cho ô tô vì những lợi ích về môi trường và kinh tế. Ông Deamer đã thành công trong khi chuyển động cơ diesel trên ô tô sang dùng nhiên liệu dầu dừa nguyên chất an toàn với một thay đổi nhỏ trên động cơ. Sau đó khoảng 200 xe mini-buýt đã được chuyển sang hỗn hợp dầu dừa – dầu diesel đã thúc đẩy rộng rãi khái niệm sử dụng dầu dừa như là một loại nhiên liệu thay thế cho dầu diesel. Dầu cọ thô sản xuất từ các nông trại ở Thái Lan có thể chứa từ (24)% các axit béo tự do (Free Fatty Acids) trong khi đó dầu cọ tinh chế chỉ còn ít hơn 1% (thường là khoảng 0,5%). Kết quả thử nghiệm đến 2.000 giờ, cho thấy tất cả các động cơ hoạt động tốt với dầu cọ tinh chế. Dầu này đã được pha phụ gia để chống sự tạo keo bám dính trên bề mặt các chi tiết động cơ của axit Phosphoric, và axit béo được loại bỏ nhờ phản ứng xà phòng hóa với Hydroxit Natri. Tiến hành thử nghiệm liên tục động cơ với dầu cọ thô, động cơ đầu tiên sau khi qua 300 giờ thử nghiệm đã nhả khói đen và có tiếng gõ lớn. Tháo dỡ động cơ cho thấy ăn mòn xung quanh cửa nạp và trên đỉnh piston. Các vòng găng bị mài mòn và dầu cọ rơi vào dầu bôi trơn dường như đã polyme hóa thành một lớp nhầy màu đen. Sau đó, động cơ được tân trang lại bằng các chi tiết mới, thay dầu bôi trơn, chạy với dầu diesel và sau đó lập lại thí nghiệm. Lần này thử nghiệm đạt 550 giờ thì hiện tượng tương tự như lần đầu xảy ra. Vì vậy, có thể kết luận rằng: các loại dầu thực vật chưa qua xử lý để các thông số nhiệt động cơ bản đạt tương đương với tiêu chuẩn của dầu diesel thì không thể làm nhiên liệu thay thế hợp lý cho nhiên liệu truyền thống . 14 Công nghệ sử dụng trực tiếp dầu thực vật chủ yếu là hâm nóng kết hợp pha loãng dầu để đạt được độ nhớt tương đương với nhiên liệu DO. Điều này giúp cho chất lượng phun dầu tốt và kết quả là quá trình cháy trong động cơ hoàn toàn hơn. Hiện nay, trên thế giới phổ biến có hai loại hệ thống nhiên liệu dùng SVO: Hệ thống nhiên liệu kép; Hệ thống nhiên liệu chỉ có SVO. 1.2.1.1. Hệ thống nhiên liệu kép: Đây là loại hệ thống dùng nhiên liệu DO để khởi động và dừng động cơ đúng qui cách như động cơ dùng nhiên liệu diesel truyền thống. Sau khởi động một thời gian, khi nhiệt độ của động cơ đủ cao, động cơ được chuyển sang sử dụng nhiên liệu SVO và khi dừng máy, hệ thống ngắt nhiên liệu SVO và chuyển sang sử dụng dầu DO để rửa sạch hệ thống nhiên liệu nhằm bảo đảm tin cậy cho động cơ khởi động lạnh ở lần sau, cũng như hạn chế ảnh hưởng xấu của nhiên liệu SVO đến một số chi tiết của động cơ. Theo hướng này, các công trình của PGS.TS Nguyễn Thạch - Khoa Kỹ thuật Giao thông, Đại học Bách khoa Tp.HCM đã cho những kết quả tốt. Giải pháp này phù hợp với trạm Diesel - Máy phát điện có công suất vừa và lớn [8]. 1.2.1.2. Hệ thống nhiên liệu chỉ có SVO: Các động cơ có bộ nhiên liệu bổ sung có thể chạy với 100% SVO mà không cần dùng dầu diesel. Hầu hết, chúng đặc trưng bởi vòi phun, bơm nhiên liệu bổ sung và bộ lọc phụ. Giải pháp này can thiệp sâu vào kết cấu động cơ, thậm chí chỉ thích hợp cho động cơ thiết kế mới. 1.2.2. Sử dụng nhiên liệu hỗn hợp dầu thực vật và chất pha. Nội dung nghiên cứu chính là xử lý về mặt cơ - lý để dầu thực vật đạt được một số yêu cầu cơ bản của nhiên liệu diesel truyền thống (DO). Theo hướng này, công nghệ chủ yếu là: 1.2.2.1. Pha dầu thực vật với dung môi hòa tan có độ nhớt thấp Nhánh này đã có một số nghiên cứu của: Ao Hùng Linh (2005). Ứng dụng dầu dừa làm nhiên liệu cho động cơ diesel DS-60R. Hồ Đức Tuấn (2008). Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng chất pha Ethanol trong hỗn hợp nhiên liệu dầu dừa – Ethanol đến một số thông số kỹ thuật cơ bản của động diesel. NCS đã có công trình: 15 Nghiên cứu thử nghiệm dầu thực vật Việt Nam làm nhiên liệu cho động cơ diesel tàu cá cỡ nhỏ, Đề tài NCKH cấp bộ B2006-13-09 [2]. Dung môi sử dụng trong các đề tài trên là dầu hỏa và ethanol, tùy theo tỷ lệ pha, hỗn hợp có thể cần sấy nóng hoặc không. 1.2.2.2. Pha dầu thực vật và chất phụ gia với dầu diesel (DO) Việc chọn loại dầu thực vật Việt Nam là dầu dừa làm nhiên liệu đã được lý giải trong tài liệu [2], chọn dung môi là dầu diesel thay cho dầu hỏa và ethanol [3] vì tiện dụng và phù hợp với Chương trình nghiên cứu nhiên liệu sinh học của chính phủ (Phụ lục 1) Xuất phát từ cơ sở lý thuyết nhiên liệu dùng cho động cơ diesel; sự hình thành hỗn hợp cháy và cháy nhiên liệu trong động cơ, hai vấn đề cần ưu tiên giải quyết khi sử dụng nhiên liệu thay thế là: a/ Xử lý độ nhớt: 100% hệ thống nhiên liệu của động cơ diesel sử dụng trong lĩnh vực Nông-Lâm-Ngư hiện tại dùng dầu diesel độ nhớt thấp. Hệ thống này không thể hoạt động với nhiên liệu có độ nhớt cao hơn tiêu chuẩn DO. Nhiên liệu hỗn hợp do có mặt dầu thực vật độ nhớt cao, vì vậy cần phải: - Một là, pha dầu thực vật vào dầu diesel với tỷ lệ đủ nhỏ để độ nhớt vẫn nằm trong giới hạn tiêu chuẩn của nhiên liệu DO mà không cần gia nhiệt. - Hai là, pha dầu thực vật vào dầu diesel với tỷ lệ đủ lớn nhưng công nghệ chuyển đổi hệ thống nhiên liệu động cơ không quá phức tạp, không can thiệp vào kết cấu động cơ và giá thành chấp nhận được. Theo lựa chọn này buộc phải sấy nóng hỗn hợp đến nhiệt độ nhất định để độ nhớt đạt tiêu chuẩn. b/ Cải thiện chất lượng quá trình cháy: Nhìn chung, chất lượng quá trình cháy giảm khi tăng tỷ lệ dầu thực vật, vì vậy cần pha chất phụ gia vào hỗn hợp. Chất phụ gia phải chọn theo tiêu chí giảm tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường. Theo nhánh này, NCS đã có những thành công bước đầu trong đề tài NCKH cấp bộ B2009-13-42: Nghiên cứu công nghệ chuyển đổi hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel tàu thủy cỡ nhỏ sang sử dụng nhiên liệu hỗn hợp dầu dừa, chất phụ gia và dầu DO 16 Kết luận: Từ kiến giải trên, nổi rõ vấn đề cần nghiên cứu: Xác định tỷ lệ pha dầu thực vật hợp lý vào dầu diesel (có phụ gia) để hỗn hợp này có thể làm nhiên liệu cho động cơ diesel, thỏa mãn các chỉ tiêu kinh tế và môi trường. Vì vậy: “Nghiên cứu tỷ lệ pha trộn hợp lý giữa dầu dừa và dầu diesel dùng làm nhiên liệu cho động cơ Diesel nhằm cải thiện các chỉ tiêu kinh tế và môi trường” là đề tài mà NCS sẽ trình bày trong Luận án này. Nội dung nghiên cứu đã trình bày ở phần Mở đầu Tiến trình nghiên cứu sẽ thực hiện theo sơ đồ trên Hình 1-2. SƠ ĐỒ KHỐI QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU B100 (SVO) Chỉ tiêu kinh tế Mục tiêu T 0C 0 Nội dung nghiên cứu ge ηe x%+Pg 1 x1 2 3 x2 Chỉ tiêu môi trường B00 (DO) NOx K% HC COx Hình 1-2. Sơ đồ khối quá trình nghiên cứu Trong đó: x1%: Cận dưới của tỷ lệ pha dầu dừa vào dầu diesel (không gia nhiệt) sao cho độ nhớt nằm ở giới hạn trên của tiêu chuẩn dầu diesel. x2%: Cận trên của tỷ lệ pha dầu dừa vào dầu diesel và gia nhiệt hỗn hợp đến 0 80 C (trên nhiệt độ này độ nhớt giảm không đáng kể), tỷ lệ đủ lớn nhưng độ nhớt vẫn nằm trong tiêu chuẩn dầu diesel. x% (x1, x2): tỷ lệ pha dầu dừa vào dầu diesel có gia nhiệt làm các mẫu nhiên liệu thử nghiệm. Pg: Chất phụ gia; T(0C): Nhiệt độ sấy hỗn hợp. 17 Chương 2- CƠ SỞ LÝ THUYẾT SỬ DỤNG HỖN HỢP DẦU DỪA VÀ DẦU DIESEL LÀM NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ DIESEL Với động cơ diesel (do nén áp suất cao, nhiên liệu tự bốc cháy) ngoài đặc điểm cấu tạo động cơ thì tính chất nhiên liệu có ý nghĩa quyết định đặc tính phun, chất lượng hình thành hỗn hợp, quá trình cháy và phát thải trong động cơ. Điều đó cũng có nghĩa là, các chỉ tiêu công tác mà chủ yếu là chỉ tiêu kinh tế và môi trường phụ thuộc vào tính chất loại nhiên liệu sử dụng. Như đã trình bày ở phần Tổng quan, chủ ý của NCS khi sử dụng nhiên liệu thay thế trên động cơ diesel là không can thiệp vào kết cấu động cơ mà chỉ lắp thêm bộ tạo hỗn hợp vào Hệ thống nhiên liệu. Và như thế, theo mô tả trên sơ đồ ở Hình 2-1, khi cô lập kết cấu động cơ và tham số của hệ thống nạp, các chỉ tiêu kinh tế và môi trường của động cơ chỉ còn phụ thuộc vào tính chất nhiên liệu. Nghiên cứu mối quan hệ này cũng chính là mục tiêu của đề tài Luận án. Với lập luận như vậy, phần cơ sở lý thuyết sẽ trình bày các ý cơ bản sau: - Trên cơ sở lý thuyết về nhiên liệu dùng cho động cơ diesel chỉ ra những thông số cần xử lý khi dùng dầu dừa làm nhiên liệu thay thế. - Phân tích ảnh hưởng của các thông số: độ nhớt, khối lượng riêng, sức căng bề mặt… của nhiên liệu đến cấu trúc tia phun. Sự ảnh hưởng này được mô tả bằng các biểu đồ và công thức toán học, làm cơ sở phân tích cấu trúc tia phun và hình thành giải pháp sử dụng dầu dừa làm nhiên liệu. - Nội dung quan trọng tiếp theo là cơ sở lý thuyết về hình thành hỗn hợp, quá trình cháy và phát thải, bao gồm: các biểu đồ, mô tả toán học, mô hình…Trên cơ sở đó, với sự hỗ trợ của máy tính thông qua phần mềm chuyên dụng giúp nghiên cứu ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu đến chỉ tiêu kinh tế và môi trường bằng mô phỏng (Chương 3). Cơ sở lý thuyết này còn cho phép lý giải kết quả nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu đến chỉ tiêu kinh tế và môi trường (Chương 4).