Tài liệu Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng tỷ lệ phối trộn butanol diesel đến mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ diesel

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong phần thực nghiệm của luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Trần Việt Hùng NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƢỞNG TỶ LỆ PHỐI TRỘN BUTANOL – DIESEL ĐẾN MỨC ĐỘ PHÁT THẢI Ô NHIỄM CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL Học viên: Trần Việt Hùng Mã số: 60.52.01.16 Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Khóa: K30, Trƣờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Butanol pha vào diesel DO0,05S để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong là một giải pháp sẽ làm phong phú thêm nguồn nhiên liệu cho tƣơng lai, đồng thời giảm thiểu đƣợc ô nhiễm môi trƣờng do khí thải gây ra. Tuy nhiên để có thể tổng quát hóa việc áp dụng, thì việc nghiên cứu ảnh hƣởng của tỷ lệ phối trộn Butanol-diesel đến mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ diesel cần đƣợc đánh giá bằng thực nghiệm. Các kết quả đạt đƣợc của luận văn này chỉ ra sự cải thiện đánh kể về nồng độ các chất khí phát thải của động cơ EV2600 dùng nhiên liệu diesel DO0,05S pha thêm 3%, 5%, 7%, 9% và 11% butanol. Động cơ đƣợc thử nghiệm trên băng thử công suất Froude. Kết quả thử nghiệm cho thấy mức độ phát thải CO2[%], NOx[ppm] của hỗn hợp DOB3 là thấp nhất và thấp hơn DO0,05S; Nồng độ riêng NOx[ppm/kW], CO2[%/kW] (nồng độ tính trên đơn vị công suất) giảm khi tăng phụ tải; và đạt gia trị cực tiểu ở gần với chế độ phụ tải toàn tải (100% phụ tải - bắt đầu nhả khói đen). Từ khóa - Butanol; Diesel; ô nhiễm môi trƣờng; tỷ lệ phối trộn; nồng độ phát thải. EXPERIMENTAL STUDY ON THE EFFECT OF MIXING RATIOS OF BUTANOL - DIESEL ON EMISSIONS OF DIESEL ENGINES Abstract - Butanol blends into diesel DO0,05S as a fuel for internal combustion engines as a solution that will enrich the fuel supply for the future, while minimizing the environmental pollution caused by emissions. However, in order to generalize the application, the study of the effect of the rate of blending of Butanol-diesel to the level of pollutant emissions of diesel engines should be evaluated experimentally. The results of this master thesis show an improvement in the emission levels of EV2600 diesel DO0.05S diesel fuel by 3%, 5%, 7%, 9% and 11% butanol. The engine was tested on the Froude test strip. Test results show that CO2 emissions [%], NOx [ppm] of mixture DOB3 are lowest and lower than DO0,005S; NOx specific concentration [ppm/kW], CO2 [%/kW] (concentration per unit of capacity) decreases with increasing load; and reach the minimum value in full load mode (100% load - start to release black smoke). Key words - Butanol; Diesel; Environmental pollution; mixing ratio; emission levels. MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU.................................................................................................................... 1 I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI........................................................................... 1 II. MỤC ĐÍCH VÀ Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI............................................................ 1 III. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU...................................................... 2 IV. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU........................................................................ 2 V. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ CẤU TRÚC LUẬN VĂN................................ 2 Chƣơng 1: TỔNG QUAN........................................................................................ 4 1.1. TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC TRÊN THẾ GIỚI................................................................................................................... 5 1.2. KHẢ NĂNG SẢN XUẤT BUTANOL............................................................... 7 1.3. TÌNH HÌNH SỬ DỤNG VÀ NGHIÊN CỨU BUTANOL TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC........................................................................................................... 8 1.3.1. Ngoài nƣớc ....................................................................................................... 8 1.3.2. Trong nƣớc ..................................................................................................... 10 1.4. KẾT LUẬN........................................................................................................ 11 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT........................................................................... 12 2.1. NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG CHO ĐỘNG CƠ DIESEL. ..................................... 12 2.1.1. Nhiên liệu Diesel: ........................................................................................... 12 2.1.2. Nhiên liệu sinh học ......................................................................................... 12 2.1.3. Nhiên liệu Butanol và nhiên liệu phối trộn Diesel-Butanol. .......................... 13 2.2. QUÁ TRÌNH CHÁY ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG .............................................. 16 2.2.1. Diễn biến quá trình cháy của động cơ Diesel. ................................................ 16 2.2.2. Sự hình thành các chất ô nhiểm trong khí thải động cơ Diesel. ..................... 19 2.2.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến nồng độ các chất ô nhiểm trong khí xả động cơ diesel. ....................................................................................................................... 26 2.3. KẾT LUẬN CHƢƠNG ..................................................................................... 29 Chƣơng 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM...................................................... 30 3.1 GIỚI THIỆU TRANG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM.............................................. 30 3.1.1 Sơ đồ bố trí tổng thể băng thử công suất thí nghiệm. ...................................... 30 3.1.2 Băng thử công suất Froude DFX3 ................................................................... 31 3.1.3 Động cơ thí nghiệm VIKYNO – EV2600 ....................................................... 32 3.1.4 Thiết bị cấp và đo tiêu hao nhiên liệu AVL FUELBALANCE 733 ............... 33 3.1.5 Thiết bị đo mô-men xoắn băng thử công suất Froude ..................................... 34 3.1.6 Thiết bị đo tốc độ Encoder 634C/X ................................................................. 35 3.1.7 Thiết bị đo các chất ô nhiễm khí thải KEG-500 .............................................. 37 3.2 TỔ CHỨC CHẠY THÍ NGHIỆM NHIÊN LIỆU PHỐI TRỘN DIESEL BUTANOL ............................................................................................................... 38 3.2.1 Nội dung thí nghiệm nhiên liệu Diesel - Butanol trên băng thử Froude ......... 38 3.2.2 Trình tự thí nghiệm .......................................................................................... 39 3.2.3 Chế độ vận hành động cơ Vikyno EV2600 trên băng thử Froude .................. 40 3.3 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM NHIÊN LIỆU DIESEL-BUTANOL ....................... 40 3.3.1 Cách ghi nhận dữ liệu ...................................................................................... 40 3.3.2 Kết quả thực nghiệm và diễn biến các đại lƣợng đo ....................................... 42 3.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG ..................................................................................... 49 Chƣơng 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN.................................................................50 4.1. ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT NHIÊN LIỆU CỦA HỖN HỢP NHIÊN LIỆU BUTANOL - DIESEL .............................................................................................. 50 4.2. ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ PHÁT THẢI Ô NHIỄM CỦA ĐỘNG CƠ KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU PHỐI TRỘN BUTANOL VỚI DIESEL .............................. 51 4.2.1. Phân tích đánh giá kết quả theo tỷ lệ hỗn hợp phối trộn % thể tích Butanol . 51 4.2.2. Phân tích kết quả theo các chế độ vận hành tối ƣu ......................................... 57 4.3 KẾT LUẬN CHƢƠNG ...................................................................................... 68 KẾT LUẬN & HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI................................................ 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN QUYẾT ĐỊNH GIA HẠN NHIỆM VỤ LÀM LUẬN VĂN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1. Các ký hiệu mẫu tự La tinh : D [mm] Đƣờng kính xi lanh Gh [kg/h] Suất tiêu hao nhiên liệu ge [kg/kW.h] Suất tiêu hao nhiên liệu trong 1 giờ L0 [kg] Lƣợng không khí lý thuyết M [g/mol] Phân tử gam Me [N.m] Momen ở đầu ra trục khuỷu Memax [N.m] Momen xoắn lớn nhất MeN [N.m] Momen xoắn ứng với công suất lớn nhất Ne [kW] Công suất có ích động cơ Nemax [kW] Công suất có ích lớn nhất ne [rpm] Số vòng quay động cơ nemax [rpm] Số vòng quay cực đại QH [MJ/kg] Nhiệt trị thấp của nhiên liệu S [mm] Hành trình piston Vh [cm3] Thể tích công tác W [kg/cm2.độ GQTK] Tốc độ tăng ắp suất Wtb [kg/cm2.độ GQTK] Tốc độ tăng ắp suất trung bình 2. Các ký hiệu mẫu tự Hy Lạp :  [-] Hệ số dƣ lƣợng không khí  [-] Độ đậm đặc hỗn hợp ε [-] Tỷ số nén e [-] Hiệu suất có ích của động cơ v [-] Hệ số nạp ρk [kg/lit] Tỷ trọng của không khí ρBu [kg/lit] Tỷ trọng của nhiên liệu Butanol ρH [kg/lit] Tỷ trọng hỗn hợp nhiên liệu Butanol pha diesel τi [s] Thời gian φi [độ] Góc quay 3. Các chữ viết tắt: AVL Tên hãng sản xuất các trang thiết bị thí nghiệm động cơ AVL 733 Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu BP Bristish Petroleum (Tập đoàn dầu khí) BTU British Thermal Unit (Đơn vị nhiệt lượng Anh) CNG Compressed Natural Gas (khí thiên nhiên nén) DO Nhiên liệu diesel DOB3 Nhiên liệu butanol-diesel, chứa 3% thể tích butanol DOB5 Nhiên liệu butanol-diesel, chứa 5% thể tích butanol DOB7 Nhiên liệu butanol-diesel, chứa 7% thể tích butanol DOB9 Nhiên liệu butanol-diesel, chứa 9% thể tích butanol DOB11 Nhiên liệu butanol-diesel, chứa 11% thể tích butanol EIA Cơ quan thông tin năng lƣợng Hoa Kỳ EU European Union (Liên minh châu Âu) EV2600 Động cơ đốt trong làm thí nghiệm FROUDE Thiết bị đo công suất động cơ GM General Motors (Tập đoàn xe hơi Hoa Kỳ) GQTK Góc quay trục khuỷu JAIST Japan Advanced Institute of Science and Technology (Viện khoa học công nghệ tiên tiến Nhật Bản) KEG-500 Thiết bị đo khí thải LPG Liquefied Petroleum Gas (khí dầu mỏ hóa lỏng) LNG Liquefied Natural Gas (khí thiên nhiên hóa lỏng) MON Motor octane Number (Trị số óc tan xác định bằng phương pháp động cơ) ppm part per million (một phần triệu) RON Research octane Number (Trị số óc tan xác định bằng phương pháp nghiên cứu) rpm Vòng/phút SOF Solube Organic Fraction (hạt rắn hòa tan) USD United States dollar (đơn vị tiền tệ đo la Mỹ) DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng Trang 2.1 So sánh các đồng phân của butanol về tính chất hóa lý 14 3.1 Thông số kỹ thuật chính của động cơ EV2600 33 3.2 Thông số kỹ thuật thiết bị AVL 733 34 3.3 Bảng thông số kỹ thuật cảm biến đo lực (LoadCell-PTS100) 35 3.4 Bảng thông số kỹ thuật dụng cụ đo tốc độ Encoder 634C/X 37 3.5 Bảng thông số kỹ thuật thiết bị đo khí thải KEG-500 37 4.1 So sánh tính chất của nhiên liệu Diesel với n-butanol 50 4.2 Giá trị trung bình mức độ phát thải CO2, NOx của 6 mẫu nhiên liệu ở vị trí thanh răng nhỏ 10% 53 4.3 Giá trị trung bình mức độ phát thải CO2, NOx của 6 mẫu nhiên liệu ở vị trí thanh răng 30% 54 4.4 Giá trị trung bình mức độ phát thải CO2, NOx của 6 mẫu nhiên liệu ở vị trí thanh răng 50% 55 4.5 Giá trị trung bình mức độ phát thải CO2, NOx của 6 mẫu nhiên liệu ở vị trí thanh răng 70% 56 4.6 Diễn biến công suất, mức độ phát thải CO2, NOx trên đơn vị công suất (nồng độ riêng) của nhiên liệu DO và các hỗn hợp nhiên liệu sinh học DOB3, DOB5, DOB7, DOB9, DOB11 ở vị trí thanh răng nhỏ 10% 58 4.7 Diễn biến công suất, mức độ phát thải CO2, NOx trên đơn vị công suất (nồng độ riêng) của nhiên liệu DO và các hỗn hợp nhiên liệu sinh học DOB3, DOB5, DOB7, DOB9, DOB11 ở vị trí thanh răng trung bình 30% 60 4.8 Diễn biến công suất, mức độ phát thải CO2, NOx trên đơn vị công suất (nồng độ riêng) của nhiên liệu DO và các hỗn hợp nhiên liệu sinh học DOB3, DOB5, DOB7, DOB9, DOB11 ở vị trí thanh răng 50% 63 4.9 Diễn biến công suất, mức độ phát thải CO2, NOx trên đơn vị công suất (nồng độ riêng) của nhiên liệu DO và các hỗn hợp nhiên liệu sinh học DOB3, DOB5, DOB7, DOB9, DOB11 ở vị trí thanh răng 70% 65 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số hiệu Tiêu đề hình vẽ Trang 1.1 Nhà máy sản xuất Ethanol 5 1.2 Nhà máy sản xuất Ethanol của t ập đoàn Dầu khí quốc gia Việt Nam 6 1.3 Sơ đồ các công nghệ sản xuất Butanol sinh học 7 1.4 Nhà máy sản xuất iso-butanol của Butamax 11 2.1 Mô hình các đồng phân của Butanol 13 2.2 Mô hình phân tử n- Butanol 16 2.3 Diễn biến quá trình cháy trong động cơ Diesel 17 2.4 Biểu diễn sự phụ thuộc nồng độ NO theo nhiệt độ 20 2.5 Ảnh hƣởng độ đậm đặc trung bình đến nồng độ NOX trong động cơ Diesel 22 2.6 Ảnh hƣởng của hệ số dƣ không khí đến nồng độ CO 23 2.7 Quan hệ giữa nồng độ CO và ø 23 2.8 Quan hệ giữa các loại nhiên liệu về sự phát sinh CO 24 2.9 Ảnh hƣởng của hệ số khí sót đến nồng độ CO trong buồng cháy 24 2.10 Ảnh hƣởng của góc phun sớm đến mức độ phát sinh ô nhiễm 26 3.1 Sơ đồ bố trí chung hệ thống băng thử công suất Froude 30 3.2 Các cấu thành băng thử công suất Froude 31 3.3 Động cơ VIKYNO DIESEL EV2600 32 3.4 Thiết bị AVL 733 34 3.5 Tấm cảm biến kiểu ten-zo 34 3.6 Hình dạng của Loadcell chịu kéo/nén dùng trên băng thử Froude 35 3.7 Cảm biến tốc độ Encoder 634C/X 36 3.8 Cấu tạo và sơ đồ mạch điện của encoder tốc độ 36 3.9 Thiết bị đo khí thải xăng KEG-500 37 3.10a Các mẫu nhiên liệu thử nghiệm DOB3, DOB5 38 3.10b Các mẫu nhiên liệu thử nghiệm DOB7, DOB9 38 3.10c Các mẫu nhiên liệu thử nghiệm DOB11 và DO 39 3.11 Màn hình hiển thị dữ liệu đo mô-men và tốc độ động cơ 41 3.12 Màn hình hiển thị dữ liệu đo tiêu hao nhiên liệu động cơ 42 3.13 Màn hình hiển thị dữ liệu đo các chất khí phát thải động cơ 42 3.14 Diễn biến công suất động cơ theo đặc tính điều chỉnh ở vị trí 10% thanh răng của các mẫu nhiên liệu 43 3.15 Diễn biến công suất động cơ theo đặc tính điều chỉnh ở vị trí 30% thanh răng của các mẫu nhiên liệu 44 3.16 Diễn biến công suất động cơ theo đặc tính điều chỉnh ở vị trí 50% thanh răng của các mẫu nhiên liệu 44 3.17 Diễn biến công suất động cơ theo đặc tính điều chỉnh ở vị trí 70% thanh răng của các mẫu nhiên liệu 45 3.18 Diễn biến chất phát thải NOx[ppm] theo đặc tính phụ tải ở vị trí thanh răng 10% của các mẫu nhiên liệu 45 3.19 Diễn biến chất phát thải CO2[%] theo đặc tính phụ tải ở vị trí thanh răng 10% của các mẫu nhiên liệu 46 3.20 Diễn biến chất phát thải NOx[ppm] theo đặc tính phụ tải ở vị trí thanh răng 30% của các mẫu nhiên liệu 46 3.21 Diễn biến chất phát thải CO2[%] theo đặc tính phụ tải ở vị trí thanh răng 30% của các mẫu nhiên liệu 47 3.22 Diễn biến chất phát thải NOx[ppm] theo đặc tính phụ tải ở vị trí thanh răng 50% của các mẫu nhiên liệu 47 3.23 Diễn biến chất phát thải CO2[%] theo đặc tính phụ tải ở vị trí thanh răng 50% của các mẫu nhiên liệu 48 3.24 Diễn biến chất phát thải NOx[ppm] theo đặc tính phụ tải ở vị trí thanh răng 70% của các mẫu nhiên liệu 48 3.25 Diễn biến chất phát thải CO2[%] theo đặc tính phụ tải ở vị trí thanh răng 70% của các mẫu nhiên liệu 49 4.1 Giá trị trung bình chất khí phát thải CO2 [%], NOx[ppm] ở vị trí thanh răng 10% của các mẫu nhiên liệu 54 4.2 Giá trị trung bình chất khí phát thải CO2 [%], NOx[ppm] ở vị trí thanh răng 30% của các mẫu nhiên liệu 55 4.3 Giá trị trung bình chất khí phát thải CO2 [%], NOx[ppm] ở vị trí thanh răng 50% của các mẫu nhiên liệu 56 4.4 Giá trị trung bình chất khí phát thải CO2 [%], NOx[ppm] ở vị trí thanh răng 70% của các mẫu nhiên liệu 57 4.5a Diễn biến nồng độ riêng CO2[%/kW] theo phụ tải ở vị trí thanh răng 10% 59 4.5b Diễn biến nồng độ riêng NOx[ppm/kW] theo phụ tải ở vị trí thanh răng 10% 60 4.6a Diễn biến nồng độ riêng CO2[%/kW] theo phụ tải ở vị trí thanh răng 30% 62 4.6b Diễn biến nồng độ riêng NOx[ppm/kW] theo phụ tải ở vị trí thanh răng 30% 62 4.7a Diễn biến nồng độ riêng CO2[%/kW] theo phụ tải ở vị trí thanh răng 50% 64 4.7b Diễn biến nồng độ riêng NOx[ppm/kW] theo phụ tải ở vị trí thanh răng 50% 65 4.8a Diễn biến nồng độ riêng CO2[%/kW] theo phụ tải ở vị trí thanh răng 70% 67 4.8b Diễn biến nồng độ riêng NOx[ppm/kW] theo phụ tải ở vị trí thanh răng 70% 67 -1MỞ ĐẦU I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Nâng cao hiệu suất, tiết kiệm năng lƣợng và giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng luôn là mục tiêu nghiên cứu của các nhà khoa học chuyên ngành động cơ đốt trong. Trong tình hình nguồn nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch đang cạn kiệt và sự biến đổi khí hậu đang trở thành hiểm họa đối với loài ngƣời thì các vấn đề nêu trên đang trở thành mối quan tâm hàng đầu không chỉ đối với các nhà khoa học mà cả đối với cả giới lãnh đạo và quản lý trên thế giới. Cùng với việc nghiên cứu hoàn thiện các hệ thống của động cơ đốt trong để nâng cao hiệu suất nhiệt, giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng thì các dự án nghiên cứu nhằm tìm kiếm nguồn nhiên liệu mới, nhiên liệu thay thế đã và đang đƣợc các nhà khoa học tập trung nghiên cứu. Ngày nay, thế giới đang ƣu tiên sử dụng các loại nhiên liệu thay thế sạch nhƣ khí dầu mỏ hóa lỏng LPG, khí thiên nhiên nén (CNG) hoặc khí thiên nhiên lỏng (LNG). Song song, các loại nhiên liệu sinh học nhƣ Biogas, Biomass, Ethanol, Butanol… cũng đã và đang đƣợc chú trọng nghiên cứu vì các nhiên liệu này ít gây ô nhiễm môi trƣờng. Các loại nhiên liệu sinh học hầu hết đƣợc hình thành từ các chất hữu cơ nên có sản lƣợng lớn và phân bố khắp nơi trên trái đất. Do vậy, nhiên liệu sinh học là nguồn năng lƣợng bổ sung phong phú và bền vững; góp phần to lớn vào việc bảo đảm an ninh năng lƣợng và giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng. Nhiên liệu sinh học nói chung và nhiên liệu Butanol nói riêng đã và đang đƣợc nghiên cứu để thay thế một phần cho nhiên liệu truyền thống xăng - dầu nhằm làm giảm mức độ ô nhiễm không khí và gây hại sức khỏe con ngƣời. Vì vậy, để thấy rõ tác dụng của nhiên liệu sinh học Butanol đến mức độ giảm thiểu các chất khí phát thải độc hại từ động cơ diesel, cần thiết phải nghiên cứu chúng bằng thực nghiệm. Với những lý do đó đề tài : “Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng tỷ lệ phối trộn Butanol-diesel đến mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ diesel” có tính cấp thiết. II. MỤC ĐÍCH VÀ Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI 1. Mục đích của đề tài Ngoài mục đích chung rộng lớn là giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng nhờ phối trộn thêm nhiên liệu sinh học Butanol, làm phong phú và đa dạng hóa nguồn nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong; đề tài còn hƣớng tới mục đích cụ thể là nghiên cứu ảnh hƣởng của tỷ lệ phối trộn đến các chất khí phát thải ô nhiễm của động cơ diesel khi pha thêm nhiên liệu sinh học Butanol với các tỷ lệ khác nhau. -22. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài Việc pha trộn thêm nhiên liệu sinh học Butanol vào nhiên liệu Diesel sẽ làm thay đối tính chất lý hóa đối với nhiên liệu dùng cho động cơ diesel, do đó sẽ làm cho quá trình cháy của nhiên liệu mới trong buồng cháy bị thay đổi. Điều đó không những làm thay đổi tính kinh tế kỹ thuật của động cơ mà sự hình thành các chất khí phát thải ô nhiễm cũng thay đổi có lẻ theo hƣớng có lợi cho môi trƣờng. Vì vậy việc nghiên cứu thực nghiệm sẽ cho ta kết quả rõ ràng hơn về vấn đề này và do đó đề tài có ý nghĩa khoa học và mang tính thực tiễn cao. III. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1. Đối tƣợng nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu của luận văn là động cơ đốt trong 01 xy lanh, Vikyno EV2600-NB sử dụng nhiên liệu diesel pha butanol với các tỷ lệ khác nhau (3%, 5%, 7%, 9% và 11%). 2. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu chỉ giới hạn đến vấn đề thay đổi thành phần nhiên liệu diesel khi có pha thêm Butanol với một số tỷ lệ nhất định (3%, 5%, 7%, 9% và 11%); không thay đổi kết cấu lắp đặt đối với động cơ diesel thí nghiệm tại băng thử công suất Froude. IV. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Kết hợp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, trong đó chú trọng nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá ảnh hƣởng của các tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học Butanol với diesel đến các chất phát thải ô nhiễm của động cơ diesel khi chạy nhiên liệu diesel pha butanol với các tỷ lệ khác nhau. V. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ CẤU TRÚC LUẬN VĂN Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của đề tài luận văn: “Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng tỷ lệ phối trộn Butanol-diesel đến mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ diesel” đƣợc trình bày trong 04 chƣơng, chứa các nội dung tóm tắt với cấu trúc nhƣ sau: Chƣơng 1 – Tổng quan các vấn đề cạn kiệt nguồn năng lƣợng, ô nhiểm môi trƣờng, tình hình nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học nói chung và nhiên liệu Butanol nói riêng trong và ngoài nƣớc. Kết luận chƣơng. -3Chƣơng 2 – Cơ sở lý thuyết: phân tích tính chất nhiên liê ̣u , diễn biế n quá trin ̀ h cháy của động cơ diesel và các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình cháy . Sự hình thành các chất phát thải và các yếu tố ảnh hƣởng đối với động cơ diesel . Kế t luâ ̣n chƣơng. Chƣơng 3 – Nghiên cứu thực nghiệm: giới thiệu trang thiết bị thí nghiệm, nghiên cứu thí nghiệm chạy nhiên liệu Diesel pha Butanol với các tỷ lệ khác nhau trên băng thử công suất Froude, kết quả dữ liệu nhận đƣợc từ thí nghiệm, xử lý dữ liệu thí nghiệm. Kết luận chƣơng. Chƣơng 4 – Kết quả và bàn luận: phân tích đánh giá kết quả về ảnh hƣởng của các tỷ lệ hòa trộn Butanol trong diesel đến các chất khí phát thải ô nhiễm của động cơ thí nghiệm sử dụng nhiên liệu diesel pha Butanol với các tỷ lệ khác nhau. Kết luận chƣơng. -4Chƣơng 1: TỔNG QUAN Trong cuộc sống hiện đại, chất lƣợng sống của con ngƣời phụ thuộc rất nhiều vào các nguồn năng lƣợng, do đó việc khai thác và sử dụng năng lƣợng đƣợc các quốc gia đặc biệt quan tâm. Năng lƣợng hóa thạch là tài nguyên không tái tạo bởi vì trái đất mất hàng triệu năm để tạo ra chúng và lƣợng tiêu thụ đang diễn ra nhanh hơn tốc độ đƣợc tạo thành. Theo Cơ quan thông tin năng lƣợng Hoa Kỳ (EIA) ƣớc tính năng lƣợng hóa thạch chiếm 86% năng lƣợng nguyên thủy sản xuất trên thế giới, nó bao gồm 36,8% dầu mỏ, 26,6% than và 22,9% khí thiên nhiên. Mỗi ngày trung bình thế giới sản xuất khoảng 86 triệu thùng dầu[16]. Các số liệu tìm kiếm, thăm dò và nhận định về trữ lƣợng dầu toàn cầu của văn phòng Tổ chức kiểm soát năng lƣợng Anh (EWG) tại Đức cho biết, dƣới lòng đất chỉ còn có khoảng 1.255 tỉ thùng, đủ để cho con ngƣời sử dụng trong 42 năm tới[19]. Với tốc độ khai thác nhƣ hiện nay, trong vòng 30 năm nữa nguồn dầu lửa dƣới lòng đất sẽ cạn kiệt. Đa phần dầu mỏ khai thác đƣợc sử dụng làm nguồn nhiên liệu cho các loại động cơ đốt trong. Các loại động cơ dùng nhiên liệu diesel đƣợc sử dụng rất phổ biến trên thế giới nhƣ động cơ tĩnh tại, động cơ lắp trên phƣơng tiện giao thông, … với các kích cỡ và công suất khác nhau. Tuy nhiên, các nghiên cứu về môi trƣờng và năng lƣợng cho thấy động cơ diesel đã gây ra ô nhiễm môi trƣờng nghiêm trọng, nguồn nhiên liệu đƣợc sản xuất từ năng lƣợng hoá thạch là dầu mỏ đang ngày càng cạn kiệt. Trong tƣơng lai việc sử dụng động cơ diesel sẽ gặp rất nhiều khó khăn khi giá dầu biến động và tăng liên tục. Trƣớc tình hình đó đòi hỏi cần phải có các công trình nghiên cứu với mục đích áp dụng các dạng nhiên liệu khác để thay thế từng phần đi đến thay thế hoàn toàn nguồn nhiên liệu hoá thạch sẽ cạn kiệt trong tƣơng lai và để hạn chế ô nhiễm môi trƣờng do các loại động cơ diesel gây ra. Những nguồn năng lƣợng mới đang đƣợc nghiên cứu và sử dụng là khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG), khí thiên nhiên nén (CNG), khí thiên nhiên lỏng (LNG) và năng lƣợng có thể tái tạo đƣợc là nhiên liệu sinh học nhƣ Biogas, Biomass, Ethanol, Butanol…; pin nhiên liệu sử dụng Hydro... Nhƣ vậy, sử dụng nhiên liệu tái tạo trong động cơ sẽ là một cách mạnh mẽ để giảm phát thải ô nhiễm và tiết kiệm nguồn năng lƣợng cho tƣơng lai. Butanol là nhiên liệu thay thế tuyệt vời sử dụng cho động cơ diesel vì nó đƣợc sản xuất bền vững và có thể trộn với nhiên liệu diesel hóa thạch, có tác động đến môi trƣờng thấp và mật độ năng lƣợng cao.[6] -51.1. TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC TRÊN THẾ GIỚI Hiện nay, trên thế giới đã ghi nhận đƣợc nhiều thành công về ứng dụng nhiên liệu sinh học trong động cơ. Trong đó có Mỹ, Bzazil, Thái Lan, Đức, Pháp, Nauy, Thụy Điển, Canada, Ấn Độ, Trung Quốc, Úc, Rumani ... Brazil là nƣớc đi đầu thế giới trong lĩnh vực này. Brazil là quốc gia sản xuất và sử dụng cồn nhiên liệu lớn nhất thế giới hàng năm tiết kiệm đƣợc trên 2 tỷ USD chi cho việc nhập khẩu dầu. Từ năm 1975, Chính phủ Brazil đã thực hiện chƣơng trình mang tên Pro-alcohol mà sau này trở thành mẫu hình đƣợc nhiều quốc gia học tập để phát triển nhiên liệu sinh học. Mỹ là quốc gia tiêu thụ hàng năm 25% năng lƣợng trên thế giới (trong khi chỉ có 6% trữ lượng dầu mỏ), hơn 60% dầu mỏ phải nhập từ bên ngoài. Năm l998, Tổng thống Mỹ B.Clinton đã ký sắc lệnh 13101 về sử dụng sản phẩm sinh học thay thế một phần dầu mỏ. Năm 2004, Mỹ đã sản xuất trên 13 triệu m3 cồn. Để sử dụng nhiên liệu sinh học, Mỹ đã ban hành nhiều đạo luật về môi trƣờng nhƣ: cấm sử dụng phụ gia hoá học làm tăng trị số Octan gây độc hại, bắt buộc sử dụng nhiên liệu sinh học ở các vùng đông dân cƣ, miễn thuế cho nhiên liệu pha cồn... Hình 1.1. Nhà máy sản xuất Ethanol Trung Quốc là quốc gia sản xuất và sử dụng cồn nhiên liệu lớn thứ 3 sau Brazil và Mỹ. Năm 2004, họ đã đa vào hoạt động nhà máy sản xuất cồn lớn nhất thế giới công suất 600.000 tấn/năm tại Cát Lâm (mỗi năm tiêu thụ 1,9 triệu tấn ngô làm nguyên liệu), tăng sản lƣợng cồn Ethanol cả nƣớc trên 3,5 triệu m3. Từ tháng 6 năm 2002, nƣớc này đã quyết định sử dụng xăng pha 10% cồn (E10) ở 5 thành phố và đến cuối năm 2006 sẽ tăng thêm 27 thành phố đông dân khác. -6Ấn Độ đã sử dụng xăng pha 5% cồn ở 9 bang và 4 tiểu vùng từ ngày 1/1/2003, các bang còn lại sử dụng ở giai đoạn 2, giai đoạn 3 sẽ tăng 10% cồn pha trong xăng. Các nƣớc EU năm 2010 sẽ sử dụng 5,75% nhiên liệu sinh học trong tổng số xăng dầu cho giao thông vận tải năm 2020 sẽ tăng lên 20%. Năm 2003 toàn thế giới đã sản xuất trên 38,5 triệu m3 Ethanol (Châu Mỹ khoảng 70%, Châu Á 17%, Châu Âu 10%), trong đó 70% đƣợc dùng làm nhiên liệu ở trên 43 quốc gia, trong vòng 15 – 20 năm tới, nhiên liệu sinh học sẽ chiếm khoảng 25% nhu cầu tiêu thụ năng lƣợng trên toàn thế giới. Nƣớc ta là nƣớc nông nghiệp, các loại phế phẩm thực vật khá dồi dào nhất là những nơi sản xuất sắn khoai, ngô, mía đƣờng. Với hơn 50 nhà máy đƣờng trong nƣớc tổng công suất gần 100.000 tấn mía/ngày, khả năng mỗi năm có thể sản xuất 100 triệu lít cồn. Hình 1.2. Nhà máy sản xuất Ethanol của tập đoàn Dầu khí quốc gia Việt Nam Năm 2003, tổng công suất của các nhà máy cồn của ngành mía đƣờng là 48 triệu lít. Trong đó, Công ty đƣờng Lam Sơn - Thanh Hóa có nhà máy sản xuất cồn công suất 25 triệu lít/năm, sản phẩm cồn của nhà máy chủ yếu phục vụ nhu cầu xuất khẩu. Ngoài ra, còn có các nhà máy sản xuất cồn khác nhƣ nhà máy rƣợu Bình Định có công suất 5 triệu lít/năm; nhà máy cồn Bình Dƣơng (thuộc công ty rượu Bình Tây) có công suất 4,5 triệu lít/năm; nhà máy sản xuất cồn - rƣợu Quảng Ngãi có công suất 12 triệu lít/năm, sản phẩm cồn rƣợu của nhà máy còn xuất khẩu qua một số nƣớc nhƣ: Đài Loan, Lào, Camphuchia... Công ty đã có dự án xây dựng thêm một nhà máy sản xuất cồn với công suất 12 triệu lít/năm ở An Khê, nhà máy cồn Xuân Lộc - Đồng Nai có công suất 20.000 lít/ngày... [3],[7]. -71.2. KHẢ NĂNG SẢN XUẤT BUTANOL Sản xuất Butanol có thể tận dụng cơ sở hạ tầng hiện hành của sản xuất Ethanol. Quy trình hóa dầu OXO mang tính khả thi cao nhất để sản xuất Butanol rẻ tiền hơn từ các nguồn sinh khối khác nhau. Hình 1.3. Sơ đồ các công nghệ sản xuất Butanol sinh học Cách đây vài năm, một dự án liên doanh giữa BP và Dupont về sản xuất Butanol sinh học theo quy trình ABE tại Trung Quốc đã đƣợc thực hiện đang mang nhiều triển vọng thúc đẩy thị trƣờng tiêu thụ nguồn nhiên liệu mới này. Hơn nữa, nhiều nhà máy, bên cạnh quy trình đang dùng nhƣ ABE hay OXO cho vài chủng loại sinh khối, họ đều tuyên bố theo đuổi cải tiến đa dạng hóa nguồn sinh khối cho các quy trình trên. [17] Theo sơ đồ ở hình 1.3 cho thấy đƣợc các phƣơng pháp có thể sản xuất Butanol hiện nay. Trong đó cách dễ sản xuất nhất là đem đƣờng lên men trực tiếp. Nếu là tinh bột thì phải sử dụng một số men để chuyển hóa rồi mới lên men đƣợc. Riêng đối với các hạt rắn nhƣ hạt ngũ cốc ta phải đem đi nghiền, nấu, thủy phân đem đi đƣờng hóa -8rồi mới có thể lên men. Đối với các quá trình sinh khối thì cenlulo và hemicellulo sẽ đƣợc thủy phân nhờ acid hoặc men tạo ra đƣờng gluco và fructo, riêng cenlulo chỉ tạo ra fructo, các đƣờng này đƣợc đem đi đƣờng hóa rồi lên men tạo Butanol. Nhóm nghiên cứu viên thuộc Viện Khoa học và Kỹ thuật công nghiệp tiên tiến Quốc gia của Nhật Bản (JAIST) đã phát triển một kỹ thuật tinh lọc Butanol sinh học mới, giúp tăng độ đậm đặc của dung dịch lên tới 82% khối lƣợng Butanol và từ đó, giảm đáng kể tổng số năng lƣợng cần thiết cho quy trình loại bỏ nƣớc trong dung dịch Butanol. Butanol sinh học (hay xăng sinh học) là một trong số những loại nhiên liệu lỏng thế hệ tiếp theo thay thế cho các sản phẩm hóa dầu đang đƣợc sử dụng hiện nay. Butanol sinh học đƣợc chiết xuất từ đƣờng lên men với số lƣợng lớn trong sinh khối xenluloza (từ gỗ), với mức calori cao hơn (34 MJ/kg) so với Ethanol (C 2H5OH - 27 MJ/kg). Quá trình lên men đƣờng dƣới tác động của vi khuẩn tạo ra một dung dịch chứa nƣớc với độ tập trung Butanol thấp (khoảng 0,5 - 1,5%). Khi độ tập trung này tăng lên, các vi khuẩn sẽ chuyển sang trạng thái “ngủ đông” và quá trình sản xuất bị dừng lại. Do vậy, cần phải tách nƣớc ra để thu đƣợc dung dịch có độ tập trung Butanol lớn. JAIST đã phát triển một loại màng phân tách mới bằng chất liệu silicalite với lớp gốm silic làm nền, cho phép thu đƣợc dung dịch tập trung 82% chỉ qua 1 lần bay hơi. Do vậy, tổng mức năng lƣợng cần để sản xuất Butanol tinh khiết chỉ còn 4,3 MJ/kg (13% lƣợng calorie của Butanol), thấp hơn 50 và 70% so với các quy trình sử dụng gốm silic phủ và không phủ bột silicalite. [14] 1.3. TÌNH HÌNH SỬ DỤNG VÀ NGHIÊN CỨU BUTANOL TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC 1.3.1. Ngoài nƣớc Trong quá trình tìm kiếm các phƣơng pháp cải thiện hiệu quả của nhiên liệu sinh học, các nhà hóa học đã nhận thấy rằng Butanol là phƣơng án lựa chọn tốt hơn Ethanol. Vì vậy, họ đang nỗ lực tìm kiếm những phƣơng pháp tốt nhất để sản xuất Butanol ở quy mô lớn nhằm thay thế cho Ethanol. Theo xu hƣớng đó, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Tổng hợp Bristol, Anh, đã đƣa ra giải pháp là sử dụng nhóm các chất xúc tác ruteni để chuyển hóa Ethanol thành Butanol. Theo các nhà khoa học trong nhóm nghiên cứu, công nghệ của họ là phƣơng pháp sản xuất Butanol gián tiếp, nhƣng có ƣu điểm là rất linh hoạt vì có thể chuyển đổi cả dây chuyền sản xuất Ethanol đi từ nguyên liệu hóa dầu và dây chuyền sản xuất Ethanol đi từ nguyên liệu sinh khối. Chất xúc tác ruteni của họ có hiệu quả rất cao, cho