NGUỒN NHIÊN LIỆU THAY THẾ TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL -BIODIESEL

MÔN HỌC NGUYÊN LÝ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG TIỂU LUẬN ĐỀ TÀI NGUỒN NHIÊN LIỆU THAY THẾ TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL – DẦU DIESE[.]

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC



MÔN HỌC: NGUYÊN LÝ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

TIỂU LUẬN

ĐỀ TÀI: NGUỒN NHIÊN LIỆU THAY THẾ TRÊN ĐỘNG CƠ

DIESEL – DẦU DIESEL SINH HỌC

GVHD: PGS Ts Lý Vĩnh Đạt Quách Minh Thắng_19145114

Tp Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2021

NHẬN XÉT

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Ký tên

PGS.TS Lý Vĩnh Đạt

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 2

1 Lý do chọn đề tài 2

2 Mục tiêu 2

3 Mục tiêu nghiên cứu 2

4 Kết cấu tiểu luận 2

PHẦN NỘI DUNG 4

1 Những nguồn nhiên liệu có thế thay thế diesel 4

2 Tổng quan về nhiên liệu biodiesel 5

2.1 Khái niệm về Biodiesel 5

2.2 Lịch sử hình thành & phát triền Biodiesel 6

2.3 Tình hình sản xuất và sử dụng Biodiesel 6

3 Quy trình sản xuất biodiesel từ phế phẩm dầu ăn 8

4 Tiêu chuẩn chất lượng cho biodiesel 12

5 Ưu nhược điểm của nhiên liệu biodiesel 14

5.1 Ưu điểm của dầu sinh học diesel 14

5.2 Nhược điểm của dầu sinh học diesel 17

6 So sánh nguồn nguồn nhiên liệu diesel và biodiesel 18

6.1 Sản xuất 18

6.2 Bôi trơn 19

6.3 Sự hiện diện của lưu huỳnh 19

6.4 Mối quan hệ với môi trường 19

6.5 Sự hiện diện của oxy 19

6.6 Mức độ độc tính 19

6.7 Mức độ oxy hóa 19

6.8 Chất lượng 20

7 Kế hoạch sử dụng dầu diesel sinh học của hãng Ford 20

KẾT LUẬN 23

TÀI LIỆU THAM KHẢO 24

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Khai thác dầu mỏ dưới lòng đất, qua các quá trình chế biến phức tạp đã tạo ra các sản phẩm như xăng, dầu hỏa, dầu hôi, ga….như chúng ta đã biết thì khi khoáng chất được hình thành trải qua hàng trăm đến hàng tỷ tỷ năm Mà với tình trạng khai thác hiện nay, thì tương lai không xa sẽ làm cho nguồn dầu mỏ trở nên cạn kiệt

Hơn thế nữa, ngày nay khí hậu trái đất ngày một nóng dần nên do sự ô nhiễm không khí ngày trở nên nghiêm trọng Mà nguyên nhân chủ yếu là khí CO2 của các nhà máy và các phương tiện giao thông (hiện tượng hiệu ứng nhà kính)

Vấn đề đặt ra là có nguồn nguyên liệu thay thế xăng dầu làm giảm thiểu sự ô nhiễm môi trường và là nguồn thay thế nhiên liệu trong tương lai

Bên cạnh đó vấn đề giá dầu tăng vọt làm ảnh hưởng nhiều mặt đến kinh tế xã hội và hơn nữa là tình hình chính trị của các quốc gia

Chính vì vậy mà chúng tôi đã chọn đề tài: “Biodiesel- nguồn nhiên liệu thay thế dầu diesel”

2 Mục tiêu

• Hạn chế được sự ô nhiễm môi trường

• Tăng cường an ninh năng lượng

• Thay thế nguồn năng lượng truyền thống có nguy cơ cạn kiệt

• Tận dụng nguồn nhiên liệu phế thải

• Hạ giá thành các sản phẩm của dầu mỏ…

3 Mục tiêu nghiên cứu

Nhằm hiểu rõ hơn về dầu diesel sinh học về các vấn đề như: Lịch sử hình thành & phát triền Biodiesel, tình hình sản xuất dầu diesel sinh học ở các nước trên thế giới, tiêu chuẩn chất lượng dầu biodiesel, quy trình làm dầu diesel sinh học từ dầu thải…

4 Kết cấu tiểu luận

❖ Phần mở đầu

❖ Phần nội dụng:

- Những nguồn nhiên liệu có thế thay thế diesel

- Tổng quan về nhiên liệu biodiesel

- Quy trình sản xuất biodiesel từ phế phẩm dầu ăn

- Tiêu chuẩn chất lượng cho biodiesel

- Ưu nhược điểm của nhiên liệu biodiesel

- So sánh nguồn nguồn nhiên liệu diesel và biodiesel

- Kế hoạch sử dụng dầu diesel sinh học của hãng Ford

❖ Kết luận

PHẦN NỘI DUNG

1 Những nguồn nhiên liệu có thế thay thế diesel

Trước sức ép ngày càng lớn của việc cạn kiệt nhiên liệu, ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính, các loại nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu hóa thạch truyền thống sử dụng cho động

cơ đốt trong như xăng và diesel đang được quan tâm và phát triển Các loại nhiên liệu thay thế này có các nguồn gốc và được phân loại như sau:

Nguồn hóa thạch như: khí thiên nhiên nén CNG, khí thiên nhiên hóa lỏng LNG (liquefied natural gas), khí dầu mỏ hóa lỏng LPG (liquefied petroleum gas), khí lò ga…

Nguồn gốc sinh học như các loại nhiên liệu được chiết suất từ dầu hoặc tinh bột của các loại cây (cọ, dừa, hướng dương, jatropha, tảo, mía, sắn, ngô…), mỡ động vật hay khí biogas sản xuất từ phế thải (rác thải, chất thải từ động vật,…) Trong các dạng nhiên liệu thay thế đó biodiesel dùng để thay thế cho diesel

Thông thường, nhiên liệu thay thế nói chung có thể sử dụng trên động cơ ở dạng nguyên chất (100% nhiên liệu thay thế), hoặc ở dạng phối hợp, tức là một phần nhiên liệu thay thế kết hợp với nhiên liệu truyền thống Ví dụ như hỗn hợp nhiên liệu B5 (5% bio-diesel, 95% diesel truyền thống),…

Sử dụng nhiên liệu thay thế, ngoài việc giải quyết vấn đề cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch, tận dụng triệt để các nguồn năng lượng sẵn có trong thiên nhiên, nó còn tạo công ăn việc làm cho người dân, giải quyết phần nào vấn đề ô nhiễm môi trường Ngoài ra, nếu có sự quy hoạch tốt

về sử dụng đất thì việc sử dụng nhiên liệu thay thế, đặc biệt là nhiên liệu sinh học còn tạo động lực cho sự phát triển, giảm triệt để phát thải gây hiệu ứng nhà kính nhờ vòng khép kín CO2 (cây hấp thụ khí CO2 từ động cơ - trồng cây để sản xuất nhiên liệu sinh học cho động cơ) Đối với động cơ diesel, việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế nói chung và nhiên liệu sinh học bio-diesel hay nhiên liệu khí hóa lỏng LPG nói riêng là hết sức cần thiết nhằm cắt giảm tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch, giảm phát thải chất độc hại và khí gây hiệu ứng nhà kính Điều đó hòa nhập với xu thế thế giới cũng như đi đúng lộ trình phát triển bền vững mà Việt Nam đang hướng tới

2 Tổng quan về nhiên liệu biodiesel

Nguồn nguyên liệu sử dụng sản xuất diesel sinh học

2.1 Khái niệm về Biodiesel

Biodiesel là một loại nhiên liệu sinh học và là một dạng năng lượng tái tạo Theo phương diện hóa học thì biodiesel là mono ester của các acid béo có nhiều trong dầu thực vật và mỡ động vật Theo định nghĩa của tiêu chuấn ASTM D6751[2]: “Biodiesel là nhiên liệu mà thành phần hóa học là mono alkyl ester dẫn xuất từ acid béo mạch thẳng dài trong dầu mỡ động thực vật hay dầu thải"

Nó có những đặc tính cơ bản của nguyên liệu gốc như tính dễ phân huỷ, dễ sản xuất và không độc hại Biodiesel là sản phẩm của phản ứng chuyển hóa ester Chuyển hóa ester là quá trình sử dụng một alcol, như methanol hoặc ethanol, để bẻ gãy liên kết hóa học giữa các acid béo với glycerol để tạo thành các monoester của acid béo và giải phóng glycerol

Mẫu diesel sinh học

2.2 Lịch sử hình thành & phát triền Biodiesel

Biodiesel đã được phát hiện từ sớm, công trình nghiên cứu của hai nhà hóa học E Dufy và

J Patrick về chuyển hóa ester của dầu thực vật để làm xà phòng vào năm 1853, nhiều năm trước khi động cơ diesel đầu tiên được đưa vào sử dụng Khi đó biodiesel được xem là phụ phẩm của quá trình sản xuất xà phòng

Ngày 10/8/1893, tại Augsburg, Đức, khi kỹ sư người Đức Rudolf Christian Karl Diesel cho ra mắt động cơ diesel chạy bằng dầu lạc do chính ông sản xuất Lúc đó biodiesel mới chính thức được công nhận Năm 1897 Diesel cũng được giải thưởng Grand Prix, giải thưởng cao nhất, cho phát minh của mình tại hội chợ triễn lãm quốc tế tại Paris Ông tin rằng nhiên liệu sinh học có thể thay thế cho động cơ hơi nước đang phổ biến bấy giờ Và ông đã đúng, dầu thực vật vẫn tiếp tục được sử dụng cho các phương tiên giao thông vận tải cho đến những năm 1920

2.3 Tình hình sản xuất và sử dụng Biodiesel

❖ Trên thế giới

Đi tiên phong trong việc sản xuất biodiesel là nước Đức, năm 1988, các công ty hoá chất của Đức đã tính luyện loại dầu biodiesel từ hạt cải dầu, loại dầu này không những giá thành thấp, mà còn có thể trồng được nguyên liệu, đảm bảo cháy hết, hàm lượng cảbon của khí thải động cơ thấp hơn 50% so với khi dùng dầu diesel truyền thống Hiện nay, 15% trạm xăng của Đức có cung cấp dầu biodiesel, và đã trở thành nguôn nhiên liệu chính cho các xe chở hàng đường dài và xe buýt Hãng Shell trong năm 2005 đầu tư 400 triệu Euro vào miền Bắc nước Đức để xây dựng thêm một nhà máy sản xuất biodiesel, dự kiến đến năm 2008, sản lượng sẽ đạt tới 200 triệu lít

Ngoài ra các nước trồng nhiều cây có dầu cũng vào cuộc: Hàn Quốc đã bắt đầu bán dầu biodiesel cho các phương tiện tư nhân từ tháng 7/2006 Loại biodiesel này gồm diesel và 5% đầu hạt cải Đến hiện nay, Hàn Quốc đã đưa vào sử dụng loại biodiesel chứa 20% dầu hạt cải

Malaysia là nước đứng đầu thế giới về sản xuất dầu Cọ, với sản lượng 13,9 triệu tấn (năm 2004), sản xuất biodiesel từ nguồn nguyên liệu đồi dào này sẽ góp phần đáp ứng nhu cầu nhiên liệu trong nước và xuất khẩu

Nhật Bản và Indonesia cũng đầu tư vào một dự án được quan tâm nhất về việc phát triển nhiên liệu biodiesel sử dụng cây có dầu Jatropha Curcas, là loại cây vốn rất phổ biến ở Indonesia Hiện ở Indonesia có hàng nghìn hecta đất có thể đùng để phát triển loại năng lượng xanh này

Trung quốc: đến năm 2010 sản xuất 1 triệu tấn, dự kiến đến năm 2020 sẽ sản xuất 9 triệu tấn dầu biodiesel sinh học từ cây hoàng liên và cây đay

Biểu đồ sản xuất Biodiesel toàn cầu 2000-2013

Nghị định Kyoto được đưa vào thực hiện dẫn đến các quy chế ngặt nghèo về khí thải cũng khiến thị trường châu Âu (EU) tăng nhu cầu sử dụng nhiên liệu sạch Ở châu Âu thì cây cải dầu với lượng dầu từ 40% đến 50% là cây thích hợp để dùng làm nguyên liệu sản xuất biodiesel Ngoài ra, Ủy ban châu Âu đã quyết định đến 2020, 10% nhiên liệu vận tải đường

bộ sẽ là nhiên liệu sinh học

dự án (PIN) phát triển dầu dừa diesel sinh học theo Cơ chế Phát triển sạch (CDM) tại tỉnh Bình Định, do Công ty Sojitz chủ trì xây dựng Theo PIN, việc thực hiện dự án này sẽ góp phần giảm phát thải khí carbon dioxide qua việc thay đổi từng phần nhiên liệu dầu diesel bằng nhiên liệu diesel sinh học được tổng hợp từ dầu dừa, thay thế một phần xăng dầu nhập khẩu tại Việt Nam

Nhóm nghiên cứu do PGS.TS Hồ Sơn Lâm − phân viện trưởng Phân viện Khoa học vật liệu TP.HCM thuộc Viện Khoa học và công nghệ VN − chủ trì khẳng định có đủ khả năng nghiên cứu sản xuất dầu diesel sinh học (biodiesel) từ dầu thực vật của Việt nam PGS.TS Hồ Sơn Lâm cho biết nhóm nghiên cứu đã hợp tác với Viện Hóa kỹ thuật ĐH Tổng hợp Jena (Đức), phân tích thành phần, tính chất các mẫu dầu biodiesel do nhóm điều chế Kết quả cho thấy các mẫu dầu biodiesel từ dầu thực vật Việt Nam đạt tiêu chuẩn châu Âu về biodiesel

Từ tháng 8/2006, hệ thống thiết bị sản xuất nhiên liệu biodiesel từ dầu ăn phế thải với công suất 2 tấn/ngày đã bắt đầu được triển khai tại công ty Phú Xương, quận Thủ Đức, TP.HCM

Dự án sản xuất dầu biodiesel từ dầu ăn phế thải tại TP.HCM có nguồn vốn đầu tư khoảng 9,69

tỷ đồng, trong đó có 1,5 tỷ đồng (chiếm 11,5%) vay từ nguồn vốn ngân sách Nhà nước

Để thúc đẩy ngành sản xuất nhiên liệu sinh học phát triển, Thủ tướng Chính phủ Việt Nam ngày 20/11/2007 đã ra quyết định phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm

2015, tầm nhìn đến năm 2025” với mục đích thay thế một phần nhiên liệu có nguồn gốc hoá thạch, góp phần bảo đảm an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường

3 Quy trình sản xuất biodiesel từ phế phẩm dầu ăn

❖ Giai đoạn 1: Xúc tác với acid nhằm thực hiện phản ứng ester hóa các acid béo tự do trong dầu

➢ Xử lí sơ bộ nguyên liệu: dầu ăn đã qua sử dụng được loại bỏ nước Có 2 phương pháp loại bỏ nước:

- Lắng: phương pháp này tiết kiệm năng lượng Nó dựa vào sự khác nhau về tỉ trọng giữa dầu

và nước, đề tăng tốc độ lắng người ta thường dùng biện pháp gia nhiệt để giảm độ nhớt của dầu, thường gia nhiệt dầu ở 60°C trong vòng 15 phút và sau đó đổ dầu vào thùng Đề cho nó

ổn định ít nhất là 24h

- Đun sôi: phương pháp này ít được sử dụng hơn vì sử dụng nhiều năng lượng Gia nhiệt đến 100°C nước sẽ bốc hơi Giữ nhiệt độ cho đến khi không còn hơi nước bốc lên

➢ Kiểm tra: dầu sau khi xử lí sơ bộ được đem đi kiểm tra chỉ số acid, chỉ số xà phòng, chỉ

số peroxide Qua các chỉ số này có thể đánh giá được chất lượng của nguyên liệu dầu ban đầu

➢ Gia nhiệt và khuấy lần 1:

- Sau khi qua bước kiểm tra tiến hành đo thể tích dầu ứng với mỗi mẫu

- Gia nhiệt dầu đến 35°C Thêm methanol vào lúc dầu còn nóng với tỉ lệ methanol/dầu

- Khuấy hỗn hợp trong 2 giờ nhưng không gia nhiệt, rồi dừng khuấy

➢ Ổn định: để hỗn hợp ổn định ít nhất 8h, qua đêm thì tốt hơn

Trong giai đọan nay không nên phối trộn methanol và H2SO4, trước khi cho chúng vào dầu vì tránh xảy ra phản ứng giữa methanol và H2SO4 hình thành dimethyl ete là một chất khí, không màu, gây nổ

❖ Giai đoạn 2: xúc tác bazo nhằm kết thúc giai đoạn xúc tác acid, và để thực hiện phản

ứng transester hóa các triglyceride trong dầu

➢ Chuẩn bị natri methoxide:

- Tùy theo tỉ 1ệ methanol/dầu cho toàn phản ứng mà dùng thể tích methanol khác nhau Nếu

tỉ 1ệ methanol/dầu 1à 2:10 thì đong 0,12 lit methanol và cân 3,1gram NaOH (có thể đến 3,5gram nếu NaOH kém tinh khiết) cho mỗi lít dầu Trộn lẫn NaOH vào methanol cho dến khi hoà tan hoàn toàn Chú ý phải đậy kín hỗn hợp để tránh sự hình thành Na2CO3

- Sau khi ổn định 8h, đổ 1/2 thể tích natri methoxide đã chuẩn bị vào trong hỗn hợp không gia nhiệt và trộn trong vòng 5 phút nhằm trung hòa acid xúc tác và tạo điều kiện thực hiện giai đoạn xúc tác bazo

➢ Gia nhiệt và khuấy lần 2:

- Gia nhiệt dung dịch ở 55°C và ổn định nhiệt độ này cho toàn phản ứng

- Thêm vào 1/2 lượng natri methoxide còn lại vào dung dịch và bắt đầu khuấy trộn với tốc độ

+ Dùng 1/3 thể tích nước so với thể tích biodiesel cần rửa Nhiệt độ của nước và biodiesel như nhau Đổ biodiesel vào trong bình nuớc và bắt đầu bơm không khí vào Thực hiện thổi bọt ít nhất 24h và để yên khoảng 30 phút Nuớc sẽ lắng xuống đáy, nhiên liệu nổi lên trên Thu hết biodiesel, cẩn thận để nước không lẫn vào Để yên biodiesel trong vòng 3 tuần và chỉ sử dụng khi nó hoàn toàn trong suốt

Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, chi phí thấp, không cần sử dụng máy đo pH để đo

pH của sản phẩm nhưng tốn nhiều thời gian và dễ bị oxi hóa

+ Giai đoạn 3: rửa bằng dung dịch muối NaCl bão hòa, sử dụng khoảng 30% thể tích biodiesel Mục đích là để loại bỏ nuớc trong sản phẩm

+ Giai đoạn 4: làm khô sản phẩm bằng Na2SO4 khan

Ưu điểm: ít tốn thời gian

Nhược điểm: sử dụng nhiều hóa chất nên chi phí hơi cao, cần sử dụng máy đo pH

4 Tiêu chuẩn chất lượng cho biodiesel

Biodiesel là một chất lỏng có màu vàng nhạt đến vàng nâu, hoàn toàn không trộn lẫn với nước Biodiesel có điểm sôi cao (thông thường khoảng150ºC), áp suất hơi thấp, trọng lượng riêng khoảng 0,86 g/cm3 và hoàn toàn không phải là hóa chất độc hại Độ nhớt của biodiesel tương đương của dầu Diesel thông thường

Việc sản xuất và sử dụng rộng rãi biodiesel đòi hỏi việc đưa ra những tiêu chuẩn chất lượng dành riêng cho biodiesel Trong đó, hai bộ tiêu chuẩn nhiên liệu quan trọng nhất là: ASTM D6751 ở Mỹ, EN 14214 ở Châu Âu[2], được trình bày tóm tắt ở hai bảng dưới đây Khi đảm bảo được những tiêu chuẩn chất lượng này, biodiesel có thể được trộn với dầu Diesel để sử dụng trong động cơ Diesel

Chỉ tiêu Phương pháp kiểm tra Giới hạn Đơn vị đo

Nhiệt độ vẩn đục ASTM D2500 -15 -5 oC

Nhiệt độ chưng cất, 90% thu hồi ASTM D1160 360 max oC

Tiêu chuẩn ASTM D6751 dành cho Biodiesel

Chỉ tiêu Phương pháp kiểm tra Giới hạn Đơn vị đo

Khối lượng riêng, 15oC EN ISO 3675 860 - 900 kg/m3

Độ nhớt động học, 40oC EN ISO 3104 3,5 – 4,5 mm2/s