Tài liệu Nghiên cứu chế tạo và đánh giá chất lượng nguyên liệu nhũ tương cho động cơ diezel

MAI NGỌC PHONG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ---------------------------- MAI NGỌC PHONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NHIÊN LIỆU NHŨ TƯƠNG CHO ĐỘNG CƠ DIEZEL LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC 2007 -2009 HÀ NỘI 2009 HÀ NỘI - 2009 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -------------------------------------- MAI NGỌC PHONG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NHIÊN LIỆU NHŨ TƯƠNG CHO ĐỘNG CƠ DIEZEL CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ HỮU CƠ - HÓA DẦU LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN HỮU TRỊNH HÀ NỘI - 2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 2 MỤC LỤC Danh mục bảng………………………………………………………………….…6 Danh mục hình……………………………………………………………………..7 CHƯƠNG 1. ĐẶT VẤN ĐỀ……………………………………………………....9 1.1. Tính cấp thiết của đề tài……………………………………………………....9 1.2. Tình hình nghiên cứu hiện nay……………………………………….…..…10 1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới…………………………………….10 1.2.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam……………………………….….…11 1.3. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu đề tài…………………………………….11 1.3.1. Mục tiêu đề tài………………………………………………..…….….11 1.3.2. Nội dung nghiên cứu đề tài………………………………………….....11 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN……………………………………………….……..12 2.1. Khái quát về nhiên liệu nhũ tương ………………………………...……….12 2.1.1. Khái niệm về nhiên liệu nhũ tương…………………………………....12 2.1.2. Quá trình cháy nhiên liệu nhũ tương………………………..….….…. 12 2.1.2.1. Nguyên lý làm việc động cơ diezel……………………….……12 2.1.2.2. Ảnh hưởng của nước trong nhiên liệu đến quá trình cháy….….14 2.1.3. Quá trình hình thành khí thải trong động cơ………………….…...…...16 2.1.3.1. Độc tố và khói khí xả……………………………….…….....….16 2.1.3.2. Cơ chế hình thành khí thải……………………………….….….18 2.1.4. Một số ưu điểm và nhược điểm nhiên liệu nhũ tương…….……….......21 2.2. Cơ sở lý thuyết về nhũ tương………………………………………...….…..22 2.2.1. Các khái niệm về nhũ tương………………………………….……..…22 2.2.1.1. Khái niệm……………………………………….………….…..22 2.2.1.2. Phân loại nhũ tương……………………………………….…...22 2.2.1.3. Phương pháp nhận biết nhũ tương………………………….….23 2.2.2. Tính chất chung của nhũ tương……………………………………..…24 2.2.2.1. Sự hình thành và phát triển bề mặt giọt nhũ……………….…..24 2.2.2.2. Kích thước hạt và sự phân bố kích thước hạt……………….....25 2.2.2.3. Độ nhớt của nhũ tương……………………….……………..….25 2.2.2.4. Độ bền của nhũ tương…………………………….……………27 Mai Ngọc Phong – Công nghệ Hóa học 2007-2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 3 2.2.2.5. Hiện tượng kết tụ và lắng đọng nhũ tương……………………..27 2.2.2.6. Hiện tượng đảo pha nhũ tương………………………………....29 2.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ ổn định của nhũ tương……………..…..30 2.2.3.1. Yếu tố điện tích……………………………………….………..30 2.2.3.2. Yếu tố hình học……………………………………….………..31 2.2.4. Chất hoạt động bề mặt và các tiêu chuẩn lựa chọn chất nhũ hóa ……..32 2.2.4.1. Chất hoạt động bề mặt……………………………………….....32 2.2.4.2. Các tiêu chuẩn lựa chọn chất nhũ hóa……………..…….…….36 2.2.5. Các phưong pháp chế tạo nhũ tương…………………………………..39 2.2.5.1. Phương pháp ngưng tụ………………………...……….…..…..39 2.2.5.2. Phương pháp phân tán cơ học……………………………….....39 2.2.5.3. Phương pháp phân tán siêu âm………………………………...40 2.2.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chế tạo nhũ tương…………….....41 2.2.6.1. Ảnh hưởng của việc chọn chất nhũ hoá…………………….….41 2.2.6.2. Ảnh hưởng của nồng độ chất nhũ hoá…………………..….….42 2.2.6.3. Ảnh hưởng của thời gian khuấy trộn………………….….……42 2.2.6.4. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn……………………….….…43 2.2.6.5. Ảnh hưởng của thứ tự cho các pha vào nhau………………….43 2.2.6.6. Ảnh hưởng của tỷ lệ thể tích hai pha………………………..…43 CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM….…..44 3.1. Hóa chất và dụng cụ……………………………………………….………...44 3.1.1. Hóa chất……………………………………………………………….44 3.1.2. Dụng cụ …………………………………………………………….…44 3.2. Phương pháp chế tạo nhiên liệu nhũ tương…………………………….….44 3.2.1. Thiết bị và quy trình chế tạo ……………………………………….…44 3.2.2. Phương pháp lựa chọn các thành phần cho hệ …………………….….45 3.3. Các phương pháp đánh giá chất lượng nhiên liệu nhũ tương………….....46 3.3.1. Thời gian ổn định của nhũ tương ………………………………..…....46 3.3.2. Kích thước hạt………………………………………………………....46 3.3.3. Phương pháp đánh giá theo các chỉ tiêu của nhiên liệu……………….48 3.3.3.1. Trị số xetan ……………………………………………………50 3.3.3.2. Thành phần phân đoạn……………………………….………...51 3.3.3.3. Độ nhớt động học…………………………………….……...…51 Mai Ngọc Phong – Công nghệ Hóa học 2007-2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 4 3.3.3.4. Khối lượng riêng và tỷ trọng…………………………….…..…52 3.3.3.5. Nhiệt trị………………………………………………………....53 3.3.3.6. Nhiệt độ chớp cháy cốc kín………………………………….…54 3.3.3.7. Hàm lượng lưu huỳnh tổng………………………….…………54 3.3.4. Hàm lượng khí thải và công suất động cơ……………………….…….55 CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN…………………………………….56 4.1. Nghiên cứu lựa chọn chất nhũ hóa và chất tạo nhũ………………………..56 4.1.1. Chọn chất nhũ hóa………………………………………………..……56 4.1.2. Chọn chất ổn định nhũ…………………………………………..……..57 4.2. Khảo sát thành phần hỗn hợp……………………………………………….58 4.2.1. Xác định tỷ lệ chất nhũ hóa và chất ổn định nhũ………………….…...58 4.2.2. Xác định hàm lượng nước thích hợp…………………………………..60 4.3. Khảo sát thời gian và tốc độ khuấy ………………………………………...67 4.4. Nghiên cứu lựa chọn phụ gia …………………………………………….…68 4.5. Đánh giá chất lượng nhiên liệu nhũ tương……………………….………...70 4.5.1. Thời gian ổn định………………………………………………………70 4.5.2. Kích thước hạt…………………………………………………..….…..70 4.5.3. Các chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu nhũ tương ………………….....71 4.5.4. Khảo sát các thông số thực tế của nhiên liệu nhũ tương……….….…...73 4.5.4.1. Công suất động cơ…………………………………………..….74 4.5.4.2. Lượng tiêu tốn nhiên liệu……………………….……………...75 4.5.4.3. Hàm lượng NOx……………………………………….……….76 4.5.4.4. Hàm lượng PM………………………………………….……...77 4.5.4.5. Lượng THC tạo ra………………………………….……….….79 4.5.4.6. Lượng khí CO2 tạo ra………………………….…………….....80 4.5.4.7. Lượng khí CO tạo ra……………………….….…………….….81 4.5.5. Đánh giá hiệu quả kinh tế nhiên liệu nhũ tương……………………….82 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ………………………………...……………….…83 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………..84 PHỤ LỤC………………………………………………………..…………….…..88 Mai Ngọc Phong – Công nghệ Hóa học 2007-2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 2 LỜI CẢM ƠN Trước khi trình bày bản luận văn tốt nghiệp cho phép tôi được gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Hữu Trịnh, người đã trực tiếp giao đề tài và hướng dẫn giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành bản luận văn này; đồng thời tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo trong Bộ môn Công nghệ Hữu cơ Hóa dầu, Khoa Công nghệ Hóa học - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Trung tâm Khoa học An toàn lao động - Viện Nghiên cứu Khoa học kỹ thuật Bảo hộ lao động, gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên tôi trong suốt thời gian học tập và hoàn thành luận văn. Do còn hạn chế về điều kiện và thời gian nên bản luận văn này không tránh khỏi sơ suất, rất mong được sự góp ý, chỉ dẫn của Hội đồng chấm luận văn, các thầy cô và đồng nghiệp. Hà Nội, ngày 10 tháng 11 năm 2009 Mai Ngọc Phong Mai Ngọc Phong – Công nghệ Hóa học 2007-2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 6 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Các hằng số phản ứng trong giai đoạn hình thành khí NO.......................18 Bảng 2.2. Thang giá trị HLB và ứng dụng của chất hoạt động bề mặt.....................36 Bảng 2.3. Chỉ số HLB của một số chất hoạt động bề mặt………….………….…..37 Bảng 3.1. Phương pháp thử và điều kiện của chỉ tiêu…………………………..….48 Bảng 4.1. Kết quả lựa chọn chất nhũ hóa………………………….………………56 Bảng 4.2. Khảo sát chất ổn định nhũ……………………………………………....58 Bảng 4.3. Giá trị HLB của từng hỗn hợp chất HĐBM phụ thuộc tỷ lệ……….…...60 Bảng 4.4. Khảo sát hàm lượng nước 5%..................................................................61 Bảng 4.5. Khảo sát hàm lượng nước 7%..................................................................62 Bảng 4.6 . Khảo sát hàm lượng nước10%................................................................63 Bảng 4.7 . Khảo sát hàm lượng nước 13%...............................................................64 Bảng 4.8. Khảo sát hàm lượng nước 15%................................................................65 Bảng 4.9. Mối quan hệ giữa số ngày ổn định lớn nhất với hàm lượng nước………66 Bảng 4.10. Xác định thời gian khấy trộn……………………………………….….67 Bảng 4.11. Xác định hàm lượng biodiezel………………………………………....69 Bảng 4.12. Nhiệt trị nhiên liệu nhũ tương và diesel……………………………….69 Bảng 4.13. Các chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu nhũ tương nước – diesel……....71 Bảng 4.14. Công suất của động cơ………………………………………………....74 Bảng 4.15. Lượng tiêu hao nhiên liệu………………………………………...……75 Bảng 4.16. Lượng khí NOx tạo ra trong khí thải……………………………..…….76 Bảng 4.17. Lượng PM tạo ra trong khí thải………………………………….…….77 Bảng 4.18. Lượng THC tạo ra trong khí thải…………………………………..…..79 Bảng 4.19. Lượng khí CO2 tạo ra trong khí thải……………………………..…….80 Bảng 4.20. Lượng khí CO tạo ra trong khí thải……………………………….…...81 Bảng 4.21. Tính toán giá thành 1 lít nhiên liệu nhũ tương……………...…………82 Mai Ngọc Phong – Công nghệ Hóa học 2007-2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 7 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Ô nhiễm khí thải do động cơ diezel xe bus………………………………9 Hình 1.2. Mẫu nhiên liệu nhũ tương GecamTM……………………………………10 Hình 2.1. Mô hình giọt nhũ………………………………………………………..12 Hình 2.2. Mô hình buồng đốt động cơ diesel……………………………………...13 Hình 2.3. Mô hình phá vỡ giọt dầu của nước……………………….……………..14 Hình 2.4. Mô hình cháy nhiên liệu diezel thông thường…………………………..15 Hình 2.5. Mô hình cháy nhiên liệu nhũ tương………………………………….….15 Hình 2.6. Các dạng nhũ tương hai pha………………………………………….…22 Hình 2.7. Nhũ tương ổn định nhờ chất nhũ hoá……………………………..….…24 Hình 2.8. Các quá trình phá vỡ nhũ tương...............................................................28 Hình 2.9. Các loại nhũ tương 3 pha……………………………………...………...29 Hình 2.10. Các dạng ổn định của nhũ tương………………………….….………...31 Hình 2.11. Cấu tạo đơn giản của một phân tử chất nhũ hóa…………….…………32 Hình 2.12. Các dạng chất hoạt động bề mặt…………………………….…………33 Hình 3.1. Máy khuấy đũa ………………………………………………………….44 Hình 3.2. Cánh khuấy…...…………………………………………………………44 Hình 3.3. Quy trình chế tạo nhũ tương …………………………………...……….45 Hình 4.1. Chất nhũ hóa CNHBK02………………………………………...……...57 Hình 4.2. Chất ổn định nhũ CODBK02……………………………………...…….58 Hình 4.3. Đồ thị khảo sát với hàm lương nước 5%................................................. 61 Hình 4.4. Đồ thị khảo sát hàm lượng nước 7%........................................................62 Hình 4.5. Đồ thị khảo sát hàm lượng nước 10%......................................................63 Hình 4.6. Đồ thị khảo sát hàm lượng nước 13%......................................................64 Hình 4.7. Đồ thị khảo sát hàm lượng nước 15%......................................................65 Hình 4.8. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa hàm lượng nước với số ngày ổn định lâu nhất các mẫu thí nghiệm…………………………...…….66 Hình 4.9. Khảo sát hàm lượng phụ gia………………….…………………...…….69 Mai Ngọc Phong – Công nghệ Hóa học 2007-2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 8 Hình 4.10. Ảnh chụp mật độ phấn bố hạt nhũ tương………….………….…..……71 Hình 4.11. Động cơ nghiên cứu AVL 5402……………………….………..….…..73 Hình 4.12. Đồ thị công suất của động cơ…………………..………………..……..74 Hình 4.13. Đồ thị lượng tiêu tốn nhiên liệu…………………….…………..……...75 Hình 4.14. Đồ thị NOx tạo ra trong khí thải…………………….…………..……...76 Hình 4.15. Đồ thị lượng PM tạo ra trong khí thải………………….………………78 Hình 4.16. Lượng THC trong khí thải…….………………...……….………….....79 Hình 4.17. Lượng CO2 tạo ra trong khí thải …………………………..….………..80 Hình 4.18. Lượng CO tạo ra trong khí thải………………………….….………….81 Mai Ngọc Phong – Công nghệ Hóa học 2007-2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 9 CHƯƠNG 1. ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, động cơ diezel được sử dụng rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp và giao thông vận tải. Bên cạnh những ưu điểm như là tỷ số nén cao, khả năng duy trì công suất trong điều kiện hoạt động rộng, chi phí để sản xuất nhiên liệu diezel rẻ hơn nhiều so với động cơ xăng,… thì nhược điểm lớn nhất của loại động cơ này là hàm lượng NOx, CO, PM, muội… trong khí thải rất cao. Chúng đang gây ra nhũng vấn đề nghiêm trọng cho sức khỏe của con người và môi trường sinh thái. Trước tình hình đó đã có rất nhiều điều luật được ban hành nhằm giảm tải hàm lượng khí thải sinh ra bởi động cơ diezel. Ví dụ như Liên minh Châu Âu đã ban hành tiêu chuẩn Euro 4 có hiệu lực tháng 10 năm 2005 yêu cầu giảm PM trong khí thải tới 80%, giảm NOz tới 50% cho các đời động cơ diezel mới so với tiêu chuẩn Euro 3 trước đấy. Tiêu chuẩn Euro 5 có hiệu lực vào tháng 10 năm 2008 yêu cầu giảm Hình 1.1. Ô nhiễm khí thải do động cơ diezel xe bus PM trong khí thải tới 92%, giảm NOx tới 43% so với tiêu chuẩn Euro 4. Tiêu chuẩn Euro 6 áp dụng vào năm 2014 tới còn yêu cầu khắt khe hơn. Đối với các đời động cơ cũ khi chưa kịp thay thế sẽ bị đánh thuế rất nặng dựa trên hàm lượng khí thải động cơ đó sinh ra [15, 20]. Ở Mỹ, cơ quan bảo vệ môi trường EPA có ban hành tiêu chuẩn HDE 2007 trong đó động cơ diezel phải giảm hàm lượng PM trong khí thải từ 85 90% còn NOx phải giảm trên 25 - 30% [17, 18]. Ở Việt Nam mặc dù mức ô nhiễm không khí tại các thành phố lớn là đáng báo động nhưng do khó khăn về mặt kinh tế, kỹ thuật nên Việt Nam mới chỉ áp dụng tiêu chưẩn Euro 2 vào tháng 7 năm 2007. Nhưng trong thời gian tới, để đáp ứng được các yêu cầu hội nhập và cạnh tranh với các Mai Ngọc Phong – Công nghệ Hóa học 2007-2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 10 dòng sản phẩm nhập khẩu chắc chắn sẽ phải áp dụng các tiêu chuẩn khí thải Euro 3 và Euro 4. Dù sớm hay muộn, áp dụng tiêu chuẩn Euro để kiểm soát lượng khí thải là nhiệm vụ cần thiết bởi những ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe con người là hết sức to lớn. Trước những yêu cầu nghiêm ngặt đó, đã có rất nhiều biện pháp được đề nghị như: sử dụng thiết bị “bẫy hạt”, bộ xúc tác oxy hóa, xúc tác có tính lựa chọn (SCR), bộ thiết bị tuần hoàn khí thải (ERG), hệ thống phin lọc (CRT), sử dụng nhiên liệu sinh học biodiezel thay thế cho nhiên liệu thông thường…Tuy nhiên các phương pháp này có nhược điểm là đắt, kết cấu của động cơ bị thay đổi, những biện pháp như sử dụng thiết bị “bẫy hạt” thì chỉ áp dụng cho các loại động cơ diezel cỡ nhỏ, còn nhiên liệu sinh học biodiezel vẫn còn trong giai đoạn nghiên cứu và chưa được phổ biến rộng rãi [20]. Một biện pháp khả dĩ hơn hiện nay đó là nghiên cứu sử dụng nhiên liệu nhũ tương nước- diezel. Việc sử dụng nhiên liệu này không những có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm tải khí tải bảo vệ môi trường mà còn đồng thời góp phần tiết kiệm nguồn nguyên liệu hóa thạch đang dần ngày càng cạn kiệt. Khi đưa nước vào nhiên liệu đồng nghĩa với việc ta tiết kiệm được một hàm lượng diezel tương ứng. Vì vậy việc nghiên cứu nhiên liệu nhũ tương là rất cần thiết. Xuất phát từ ý nghĩa đó đề tài “ Nghiên cứu chế tạo và đánh giá chất lượng nhiên liệu nhũ tương cho động cơ diezel “đã được thực hiện. 1.2. Tình hình nghiên cứu hiện nay 1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới Trên thế giới việc đưa nước vào nhiên liệu diezel đã được biết đến từ sau thập niên 90. Hàng trăm sáng chế đã đưa ra trên cơ sở hỗn hợp pha trộn nước với diezel [23, 26]. Tuy nhiên phải đến nay nhiên liệu nhũ tương nước - diezel mới được nhiều nước nghiên cứu hoàn chỉnh và áp dụng rộng rãi với hàm lượng nước điển hình từ 8 đến Mai Ngọc Phong – Công nghệ Hóa học 2007-2009 Hình 1.2. Mẫu nhiên liệu nhũ tương GecamTM Luận văn thạc sĩ khoa học 11 35% tùy theo yêu cầu ứng dụng. Nhiều sản phẩm của nhiên liệu nhũ tương này đã được thương mại hóa như: PuriNOxTM, Qwhite, Aspira của tập đoàn Lubrizol (Mỹ) chứa hàm lượng nước từ 10 dến 20% giảm 14% NOx và 62,9% PM, AquazoleTM của TOTAL (Pháp) chứa hàm lượng nước từ 14 đến 17% giảm 16% NOx và 60% PM, GecamTM của CAM Tecnologie (Ý) hàm lượng nước từ 10 đến 11%, Aquadisel của Clean Fuel Technology (Mỹ) chứa hàm lượng nước 13%...[23]. Hiện đã có 4 nước ở Châu Âu bao gồm Pháp, Ý, Anh, Switzerland sử dụng ngoài thực tế nhiên liệu nhũ tương trong đó toàn bộ hệ thống xe buýt ở London đã sử dụng từ năm 2003, các loại xe buýt ở Paris cũng vậy. Hiện có khoảng hơn 9000 xe buýt sử dụng loại nhiên liệu này. Như vậy loại nhiên liệu này đã được các nước Châu Âu cũng như Mỹ sử dụng phổ biến và được xem là nhiên liệu sạch để thay thế cho diezel. 1.2.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam Ở Việt Nam, lĩnh vực nhũ tương đã được nghiên cứu nhiều. Hai loại nhũ tương bitum và nhũ tương dầu FO đã được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên nhũ tương dầu diezel mới chỉ đang trong giai đoạn nghiên cứu. Ở Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, PGS.TS Nguyễn Hữu Trịnh đã nhiều năm nghiên cứu đề tài này và bước đầu đã có kết quả rất tốt. Tuy nhiên thời gian ổn định cũng như hàm lượng nước đưa vào còn thấp và cần nghiên cứu sâu hơn loại nhiên liệu nhũ tương này. 1.3. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài 1.3.1. Mục tiêu của đề tài - Nghiên cứu chế tạo nhiên liệu nhũ tương nước - diezel. - Đánh giá chất lượng nhiên liệu nhũ tương tạo thành. 1.3.2. Nội dung nghiên cứu đề tài - Nghiên cứu lựa chọn chất nhũ hóa và chất ổn định nhũ - Khảo sát thành phần hỗn hợp tạo nhũ; nghiên cứu lựa chọn phụ gia - Khảo sát thời gian và tốc độ khuấy trộn - Xác đinh các chỉ tiêu của nhiên liệu - Xác định hàm lượng khí thải, tiêu tốn nhiên liệu và công suất động cơ Mai Ngọc Phong – Công nghệ Hóa học 2007-2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 12 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN 2.1. Khái quát về nhiên liệu nhũ tương 2.1.1. Khái niệm về nhiên liệu nhũ tương Nhiên liệu nhũ tương được xác định như là sự nhũ hóa của nước trong nhiên liệu diezel thông thường. Quá trình được thực hiện bằng cách phân tán pha nước nguyên chất vào pha dầu diezel và ổn định bằng chất nhũ hóa cũng như các phụ gia. Hàm lượng nước điển hình là 10- 20%. Nhiên liệu nhũ tương có dạng lỏng, màu trắng đục như sữa. Nhiên liệu được sủ dụng cho động cơ diezel (đường bộ, đường sắt, đường thủy) và Hình 2.1. Mô hình giọt nhũ một phần được sử dụng cho các tuabin khí (trong công nghiệp phát điện, xây dựng…). Việc sử dụng nhiên liệu này có ý nghĩa cao về mặt môi trường trong việc giảm thải hàm lượng các khí thải độc hại như NOx, PM, ... 2.1.2. Quá trình cháy nhiên liệu nhũ tương Nhiên liệu nhũ tương được sử dụng tương tự như nhiên liệu diezel thông thường trong động cơ diezel mà không cần yều cầu phải thay đổi động cơ. Để hiểu rõ bản chất cháy của loại nhiên liệu này trước hết chúng ta phải xem xét nguyên lý làm việc của động cơ diezel. 2.1.2.1. Nguyên lý làm việc động cơ diezel [1] Động cơ diezel cũng làm việc theo nguyên tắc 04 kỳ như động cơ xăng, nhưng khác động cơ xăng ở chỗ trong động cơ xăng hỗn hợp nhiên liệu và không khí được bốc cháy sau khi bugi đánh lửa; còn ở động cơ diezel, nhiên liệu được đưa vào Mai Ngọc Phong – Công nghệ Hóa học 2007-2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 13 xylanh, ở đó không khí đã được nén trước và đã có nhiệt độ cao, nhiên liệu sẽ tự bốc cháy. Động cơ xăng có tỷ số nén thấp hơn so với động cơ diezel (tỷ số nén là là tỷ số giữa thể tích của xylanh khi piston nằm ở vị trí điểm chết dưới so với phần thể tích chết ở phần trên). Với động cơ xăng, tỷ lệ đó là từ 7/1 đến 11/1, còn động cơ diezel là từ 14/1 đến 17/1 [1]. Vì vậy động cơ diezel có công suất lớn hơn động cơ xăng trong khi tiêu hao cùng 1 lượng nhiên liệu. Hành trình động cơ diezel làm việc theo 4 chu kỳ: hút, nén, cháy, thải. Hình 2.2. Mô hình buồng đốt động cơ diezel Khi piston đi từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới, van nạp mở ra, không khí được hút vào xylanh; sau đó van nạp đóng lại; piston lại đi từ điểm chết dưới lên điểm chết trên, thực hiện quá trình nén không khí. Do bị nén, áp suất tăng, dẫn đến nhiệt độ tăng, có thể tới 500 đến 700oC. Khi piston đến gần điểm chết trên, nhiên liệu được phun vào xylanh (nhờ bơm cao áp) dưới dạng sương, khi gặp không khí ở nhiệt độ cao sẽ tự bốc cháy. Khi cháy, áp suất tăng mạnh đến đẩy piston từ vị trí điểm chết dưới thực hiện quá trình dãn nở sinh công có ích và được truyền qua hệ thống thanh truyền làm chạy máy. Piston sau đó lại đi từ điểm chết dưới lên điểm Mai Ngọc Phong – Công nghệ Hóa học 2007-2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 14 chết trên để thải sản phẩm cháy ra ngoài qua một van thải và tiếp tục thực hiện hành trình mới. 2.1.2.2. Ảnh hưởng của nước đến quá trình cháy nhiên liệu Do có nước trong nhiên liệu nên hạ thấp nhiệt độ cháy và thay đổi mô hình cháy để carbon trong nhiên liệu cháy triệt để hơn. Chất lượng nhiên liệu được cải thiện đáng kể nhờ hiệu ứng “vi nổ” [5]. Khi phun nhiên liệu nhũ tương bằng vòi phun sẽ tạo ra chùm tia nhũ tương, mỗi hạt nhũ tương bao gồm hạt nhiên liệu có chứa một vài hạt nước có kích thước bé hơn. Nhiệt độ sôi của nước thấp hơn nhiệt độ sôi của nhiên liệu, bởi vậy khi sấy nóng các hạt trong buồng cháy, nước bay hơi sớm hơn nhiên liệu. Hơi nước tạo thành thắng được sức căng bề mặt làm vỡ hạt nhiên liệu. Nhờ hiệu ứng phản lực, mà những phần vỡ của các hạt bay về phía ngược với vị trí vỡ bề mặt, do đó một lần nữa nhiên liệu dược tách ra mịn hơn (Hình 2.3). Hình 2.3. Mô hình phá vỡ giọt dầu của nước Khi nhiên liệu được tách ra mịn hơn thì độ rộng và góc nón chùm tia tăng lên. Những hạt nhiên liệu được phun vào buồng cháy như vậy tốt hơn so với phun riêng nhiên liệu. Nhờ phun mịn hơn, quá trình bay hơi nhiên liệu nhanh hơn và hòa trộn với không khí tốt hơn nên quá trình cháy của nó cũng tốt hơn. Động lực tỏa nhiệt tăng lên, thời gian cháy rút ngắn lại, khí thải hình thành nhờ đó mà giảm đi. Có thể quan sát thấy điều này trên Hình 2.4 và Hình 2.5: Mai Ngọc Phong – Công nghệ Hóa học 2007-2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 15 Hình 2.4. Mô hình cháy nhiên liệu diezel thông thường Hình 2.5. Mô hình cháy nhiên liệu nhũ tương Trên Hình 2.4 các hạt nhiên liệu diezel khi phun vào buồng đốt sẽ phân tán và dưới tác dụng của nhiệt độ cao, nhiên liệu cháy luôn nhưng cháy không hoàn toàn tạo muội khói và hơi nước. Còn trên Hình 2.5 sau khi nhiên liệu nhũ tương được phun vào buồng đốt dưới tác dụng của nhiệt độ, nhiên liệu ngoài phân tán sơ cấp sẽ xảy ra quá trình phân tán thứ cấp, nhiên liệu dầu diezel mịn hơn nên cháy hoàn toàn giảm khí thải. Như vậy nhiên liệu nhũ tương cháy hiệu quả hơn so với nhiên liệu diezel thông thường. Mai Ngọc Phong – Công nghệ Hóa học 2007-2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 16 1.2.3. Quá trình hình thành khí thải trong động cơ 1.2.3.1.Độc tố và khói khí xả Nhiên liệu nhũ tương cũng như nhiên liệu diezel thông thường khi cháy đều thải ra ngoài khí xả và khói làm ô nhiễm môi trường. Trong thành phần của khí thải gồm có các chất không tham gia vào quá trình cháy, sản phẩm cháy hoàn toàn và không hoàn toàn nhiên liệu. Chúng bao gồm N2, O2, hơi nước, khí SO2, CO, CO2, NOx, H2, cácbua hydro, anđêhít, muội. ∗ Độc tố của khí xả Độc tố của khí xả được xác định bằng hàm lượng các chất oxi nitơ, oxit cácbon, anđêhít, hydrocácbon mạch hở và hydrocácbon mạch vòng, khí sunfurơ có trong khí thải và muội (khói). Oxit nitơ là loại độc tố nguy hiểm nhất. Chúng hình thành trong cơ thể con người các hợp chất nitơ và axít xianua (HCN), gây kích thích niêm mạc mắt và đường hô hấp. Khi hàm lượng tính theo thể tích là 0,004 ÷ 0,008 % có mặt trong môi trường sẽ gây hiện tượng phù phổi. Oxít cácbon cũng là một loại độc tố. Khi hàm lượng tính theo thể tích của nó có trong môi trường là 0,005% sau 1 giờ gây ngộ độc nhẹ, còn khi hàm lượng đến 1% thì sinh vật bất tỉnh sau vài lần hít thở. Anđêhít (chủ yếu là fomalđêhít và acrôlein) bổ sung cho khí xả mùi khó ngửi. Theo thứ tự độc tố thì chúng xếp sau NOx. Hàm lượng cho phép của fomalđêhít (HCHO) trong không khí giới hạn khoảng 6 mg/m3, còn acrôlein giới hạn khoảng 0,25 mg/m3. Hàm lượng của chúng trong khí xả tăng lên ở các chế độ tải nhỏ và không tải khi nhiệt độ cực đại của môi chất trong xylanh giảm xuống. Cácbua hydro cũng là chất độc hại, một số trong chúng xả ra môi trường gây nên sương mù. Cácbua hydro được hình thành trong vùng có hàm lượng oxy nhỏ, cũng như gần với vách lạnh của buồng cháy. Mai Ngọc Phong – Công nghệ Hóa học 2007-2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 17 Bồ hóng hay hình thành từ cacbon của nhiên liệu diezel, là kết quả của quá trình cháy không hoàn toàn cục bộ. Nếu xét bồ hóng đơn thuần như một tạp chất cơ học trong khí quyển thì mức độ gây ô nhiễm môi trường của nó không đáng kể. Chính hydrocácbon thơm mạch vòng (PAH) được hấp thụ trên bề mặt bồ hóng có khả năng gây ung thư mới đáng quan tâm. Oxit lưu huỳnh hình thành trong quá trình cháy nhiên liệu có lưu huỳnh, đó cũng là độc tố. Khi hàm lượng của nó có trong môi trường tính theo thể tích 0,0007÷ 0,001% sẽ tác động xấu lên cuống họng, còn khi hàm lượng là 0,4% sinh vật sẽ chết ngay sau 3 giây. ∗ Khói trong khí xả Khói trong khí xả chủ yếu được hình thành bởi hàm lượng muội trong khí xả. Muội hình thành do sự phân rã các phân tử nhiên liệu dưới tác động của nhiệt độ cao khi thiếu oxy. Muội tạo thành trong khí xả động cơ diezel có dạng hạt vô định hình, có kích thước khoảng 0,4 ÷ 0,5 µm. Phần lớn muội cháy hết trong quá trình giãn nở, muội cháy hết nhờ tăng cường tạo rối khí nạp trong xylanh. Với hydrocacbon mạch thẳng thì tốc độ hình thành các hạt muội tăng lên khi tăng khối lượng phân tử. Khuynh hướng hình thành muội lớn nhất đối với các hydrocacbon thơm, còn hình thành muội nhỏ nhất đối với hydrocacbon no (parafin thường). Đo khói theo tiêu chuẩn quốc gia được thực hiện nhờ thiết bị đo khói quang điện. Giá trị tới hạn của khói trong khí xả động cơ diezel ứng với tiêu chuẩn quốc gia phụ thuộc vào suất tiêu hao không khí, dm3/s. Khi giảm suất tiêu hao khí đến giới hạn cho phép thì khói tăng lên. Khói khí xả được xác định trong quá trình nghiên cứu thử nghiệm động cơ diezel. Hạn chế khói không chỉ theo quan điểm bảo vệ môi trường, mà còn bảo vệ động cơ. Một phần muội rơi vào dầu bôi trơn, phủ lên mặt xylanh, làm bẩn dầu bôi trơn. Muội có trong khí xả là một trong các nguyên nhân phá hỏng xupap xả. Khối lượng chất lắng đọng trên piston và thời gian đến lúc kết cốc trong rãnh xécmăng phụ thuộc vào khói khí xả. Mặt khác, tăng khói khí xả chứng tỏ cháy không hoàn toàn, nên giảm hiệu suất chỉ thị động cơ. Mai Ngọc Phong – Công nghệ Hóa học 2007-2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 18 1.2.3.2. Cơ chế hình thành khí thải a). Sự hình thành NOx NOx ở đây là hỗn hợp của các oxít nitơ, chủ yếu là NO (chiếm hơn 90%) và còn lại là các khí như NO2, N2O,...NOx chủ yếu hình thành do phản ứng giữa oxy và nitơ của không khí có mặt trong hỗn hợp dưới tác dụng của nhiệt độ cao. ∗ Cơ chế hình thành NO: Có nhiều giả thiết khác nhau về sự hình thành NO nhưng cơ chế Zeldovich mở rộng được ứng dụng rộng rãi nhất. Cơ chế này bao gồm 3 phản ứng thuận nghịch: O + N2 ↔ NO + N (1) N + O2 ↔ NO + O (2) N + OH ↔ NO + H (3) Các hằng số phản ứng được cho trong Bảng 2.1: Bảng 2.1. Các hằng số phản ứng trong giai đoạn hình thành khí NO Phản ứng Kthuận Kngược (1) 7, 6.103 exp(-38000/T) 1, 6/1013 (2) 6, 4.109 T.exp(-3150/T) 1, 5.109 T.exp(-19500/T) (3) 4, 1.103 2.1014 exp(-23650/T) Phản ứng (3) chủ yếu xảy ra trong vùng giàu nhiên liệu. Các phản ứng khác diễn ra mạnh trong khu vực màng lửa cũng như trong vùng khí đã cháy. Trong động cơ, dưới tác dụng của áp suất cao, bề dày màng lửa rất bé và tồn tại trong thời gian rất ngắn nên đại bộ phận NO hình thành trong màng lửa. Tuy nhiên, chính NO hình thành trong màng lửa mới có khả năng tạo ra những chất của họ NOx. Từ những phân tích trên đây, chúng ta nhận thấy tốc độ hình thành NO chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ của môi chất và nồng độ oxy Mai Ngọc Phong – Công nghệ Hóa học 2007-2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 19 ∗ Cơ chế hình thành NO2: NO hình thành trong màng lửa sẽ nhanh chóng phản ứng với gốc HO2 (chất trung gian của quá trình cháy) để biế`n thành NO2 theo phản ứng: NO + HO2 ↔ NO2 + OH (4) Tuy nhiên, NO2 tồn tại không bền vững trong khu vực nhiệt độ cao, nó dễ dàng biến thành NO: NO2 + O ↔ NO + O2 (5) Vì vậy, khi động cơ làm việc ở chế độ không tải hay chế độ tải thấp, khu vực hình thành NO2 được làm mát bởi sự vận động của dòng khí nhiệt độ thấp trong buồng cháy nên phản ứng (5) không diễn ra, do đó nồng độ NO2 gia tăng. Ở điều kiện làm việc bình thường, NO2 chiếm tỷ lệ rất thấp trong động cơ xăng nhưng trong động cơ diezel, tỷ lệ này có thể đạt đến 30%. ∗ Cơ chế hình thành N2O: N2O chủ yếu trong khu vực màn lửa dưới tác dụng của NO và các chất trung gian của vật cháy như NH, NCO: NH + NO ↔ N2O + H (6) NCO + NO ↔ N2O + CO (7) Vì trong khu vực oxy hóa có sự hiện diện của các nguyên tử hydro tự do nên N2O nhanh chóng bị phân hủy: N2O + H ↔ NH + NO (8) N2O + H ↔ N2 + OH (9) Do đó, nồng độ của protoxide nitơ trong khí xả của động cơ rất thấp (khoảng 3 ÷ 8 ppm). b) Cơ chế hình thành CO Sự hình thành CO từ quá trình cháy của các gốc hydrocacbon I diễn ra như sau: Mai Ngọc Phong – Công nghệ Hóa học 2007-2009