Nhiên liệu thay thế sử dụng trên động cơ diesel biodisel từ dầu thực vật

PHẦN MỞ ĐẦU...................................................................................................................31.Mục tiêu.....................................................................................................................................................32.Nhiệm vụ....................................................................................................................................................33.Đối tượng nghiên cứu.................................................................................................................................34.Phương pháp nghiên cứu............................................................................................................................3PHẦN NỘI DUNG.........................................................................................................................4CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ NHIÊN LIỆU BIODIESEL..................................................................41. Lí do chọn đề tài........................................................................................................................................42. Lịch sử phát triển của nhiên liệu Biodiesel...............................................................................................43. Nhiên liệu Biodiesel là gì?........................................................................................................................54. Phân loại Biodiesel....................................................................................................................................55. Tính chất của Biodiesel.............................................................................................................................56. Các phương pháp và quy trình công nghệ sản xuất Biodiesel..................................................................6CHƯƠNG 2: NHIÊN LIỆU BIODIESEL TỪ DẦU THỰC VẬT...........................................62.1 Đặc điểm dầu thực vật trong sản xuất Biodisel.....................................................................................6 2.1.1 Nguồn cung cấp từ dầu thực vật.....................................................................................................6 2.1.2 Đặc điểm, tính chất lí hóa của Biodiesel từ dầu thực vật................................................................7 2.1.3 Thành phần hóa học của dầu thực vật......................................................................................7892.2 Sản xuất Biodiesel từ dầu thực vật (cây dầu mè – Jatropha) ...............................................................9 2.2.1 Sơ lược về cây Jatropha.................................................................................................................9 2.2.2 Quy trình ép hạt Jatropha........................................................................................................1011 2.2.3 Thành phần và chỉ tiêu kỹ thuật dầu Jatropha.........................................................................11122.3 Ưu điểm của Biodiesel từ dầu thực vật...........................................................................................12132.4 Nhược điểm của Biodiesel từ dầu thực vật..........................................................................................132.5 Tình hình sản xuất và sử dụng Biodiesel từ nguyên liệu dầu thực vật tại Việt Nam và trên thế giới14152.6 Định hướng phát triển của Biodiesel....................................................................................................15 CHƯƠNG 3: ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIODIESEL TỪ DẦU THỰC VẬT163.1 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động.......................................................................................................16173.2. Một số loại động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu Biodiesel....................................................171819

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM



KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

TIỂU LUẬN

MÔN NGUYÊN LÍ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

TÌM HIỂU VỀ NHIÊN LIỆU THAY THỂ SỬ DỤNG TRÊN ĐỘNG

CƠ DIESEL – BIODIESEL TỪ DẦU THỰC VẬT

GIẢNG VIÊN HD: PGS.TS LÝ VĨNH ĐẠT

SINH VIÊN THỰC HIỆN: PHẠM NGỌC THẠCH – 19145488

(Lớp thứ 2, tiết 7 - 9)

Thành phố Hồ Chí Minh, Tháng 5 - 2021

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 3

1.Mục tiêu 3

2.Nhiệm vụ 3

3.Đối tượng nghiên cứu 3

4.Phương pháp nghiên cứu 3

PHẦN NỘI DUNG 4

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ NHIÊN LIỆU BIODIESEL 4

1 Lí do chọn đề tài 4

2 Lịch sử phát triển của nhiên liệu Biodiesel 4

3 Nhiên liệu Biodiesel là gì?

5

4 Phân loại Biodiesel

5

5 Tính chất của Biodiesel 5

6 Các phương pháp và quy trình công nghệ sản xuất Biodiesel 6

CHƯƠNG 2: NHIÊN LIỆU BIODIESEL TỪ DẦU THỰC VẬT 6

2.1 Đặc điểm dầu thực vật trong sản xuất Biodisel 6

2.1.1 Nguồn cung cấp từ dầu thực vật 6

2.1.2 Đặc điểm, tính chất lí hóa của Biodiesel từ dầu thực vật 7

2.1.3 Thành phần hóa học của dầu thực vật 7-8-9 2.2 Sản xuất Biodiesel từ dầu thực vật (cây dầu mè – Jatropha) 9

2.2.1 Sơ lược về cây Jatropha 9

2.2.2 Quy trình ép hạt Jatropha 10-11 2.2.3 Thành phần và chỉ tiêu kỹ thuật dầu Jatropha 11-12 2.3 Ưu điểm của Biodiesel từ dầu thực vật 12-13 2.4 Nhược điểm của Biodiesel từ dầu thực vật 13

2.5 Tình hình sản xuất và sử dụng Biodiesel từ nguyên liệu dầu thực vật tại Việt Nam và trên thế giới14-15 2.6 Định hướng phát triển của Biodiesel 15

CHƯƠNG 3: ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIODIESEL TỪ DẦU THỰC VẬT16

3.1 Cấu tạo và nguyên lí hoạt 17

động 16-3.2 M t s lo i đ ng c đ t trong s d ng nhiên li u Biodieselộ ố ạ ộ ơ ố ử ụ ệ 19

17-18-KẾT LUẬN 20

Lời nói đầu

Có thể nói, phương tiện vận tải là một trong những ngành quan trọng trong lĩnh vựckinh tế góp phần vào công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Phương tiện vậntải có vai trò rất lớn trong việc vận chuyển người và hàng hóa tuy nhiên nó gây ra nhượcđiểm rất lớn là khí thải gây ô nhiễm môi trường Trong khi đó, các nguồn nguyên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt, ước tính trữ lượng dầu mỏ của thế giới đến năm 2050 sẽ cạn kiêt Nhưng hoạt động sinh hoạt hằng ngày của con người rất cần năng lượng, điều này thúc đẩy các nhà nghiên cứu phải tìm ra nguồn nhiên liệu

có thể thay thế cho xăng, dầu Từ đó, nguồn “nhiên liệu sạch” –nhiên liệu Biodiesel thaythế trên ô tô đã ra đời để giảm khí độc thải ra môi trường, bài tiểu luận này sẽ tìm hiểu kĩhơn về Biodiesel từ dầu thực vật

PHẦN MỞ ĐẦU

1.Mục tiêu:

Hiểu rõ hơn về lịch sử cải tiến, ưu nhược điểm so với nhiên liệu Diesel truyền thống,cách điểu chế, khả năng ứng dụng hiện nay trên thế giới và ứng dụng trên động cơ củaBiodiesel

2.Nhiệm vụ:

Tìm hiểu một cách tổng quan và sâu hơn về nhiên liệu sinh học (Biodiesel) từ dầu thựcvật

3.Đối tượng nghiên cứu:

Biodiesel và tìm hiểu sâu hơn về nhiên liệu Biodiesel từ dầu thực vật

4.Phương pháp nghiên cứu:

Thông qua môn học nguyên lí động cơ đốt trong, trên sách, mạng, báo đài, để tìm hiểu sâu hơn nhiên liệu sinh học (Biodiesel)

Nguyên nhân chủ yếu là do chất thải từ các nhà máy, khí thải từ phương tiện giaothông đường bộ, đường sắt, gây ô nhiễm môi trường trầm trọng và đặc biệt là ô nhiễmkhông khí ảnh hướng rất lớn đến bầu khí quyển của chúng ta gây nên những hệ lụy vôcùng nghiêm trọng đặc biết đến sức khỏe con người Theo thống kê từ tổ chức Y tế thếgiới WHO (năm 2016) ô nhiễm không khí đã làm 4,2 triệu người chết sớm

Việc tìm kiếm các loại nhiên liệu, năng lượng sạch không những giảiquyết được vần đề ô nhiễm không khí mà còn có thể chủ động được cácnguồn nhiên liệu, hạn chế sự phụ thuộc vào các biến động trên thế giới

Vì vậy, tiểu luận chọn đề tài nghiên cứu giải pháp ứng dụng nhiên liệubiodiesel thay thế cho nhiên liệu trên động cơ diesel hiện nay

2 Lịch sử phát triển của nhiên liệu Biodiesel:

Khoảng giữa năm 1800, Biodiesel bắt đầu được sản xuất, trong thờiđiểm đó người ta chuyển hóa dầu thực vật để thu glyxerol ứng dụnglàm xà phòng và thu được các phụ phẩm là methyl hoặc ethyl este gọichung là biodiesel Ngày 10/08/1893 lần đầu tiên Rudolf Diesel sử dụngđộng cơ chạy bằng dầu thực vật do ông tự sáng chế Năm 1912, ông đã

dự báo: “ Hiện nay việc dùng dầu thực vật cho nhiên liệu động cơ cóthể không quan trọng, nhưng trong tương lai, những loại dầu như thếchắc chắn sẽ có giá trị không thua gì các sản phẩm nhiên liệu từ dầu

mỏ và than đá “ Đến những năm 1930 và 1940, dầu thực vật được sửdụng như là nhiên liệu Diesel nhưng chỉ trong tình trạnh khẩn cấp Vàonăm 1980, Caterpilla Brazil đã sử dụng hỗn hợp 10% dầu thực vật chođộng cơ diesel mà không có sự thay đổi cũng như thay thế gì

Tháng 8 năm 1982, Hội nghị đầu tiên của thế giới về việc sử dụngdầu thực vật được diễn ra tại Fargo, phía nam Dakota Năm 1982 lànăm đáng được ghi nhận vì đây cũng chính là năm bắt đầu sử dụng dầu

ăn phế thải, cũng là thời điểm Viện Hóa hữu cơ của Graz (Áo) đầu tiên

sử dụng este của dầu hạt cải Trong những năm 1989– 1990, dự án đầu

tư của chính phủ Áo về “Sản xuất biodiesel chất lượng cao từ dầu ănphế thải” được thực hiện Đến năm 2003, có 4 quy trình tiên tiến choviệc sản xuất biodiesel từ dầu thực vật và dầu ăn phế thải đã đượccông bố

3 Nhiên liệu Biodiesel là gì?

Biodiesel (Diesel sinh học) là

một loại nhiên liệu lỏng có tính

năng tương tự và có thể sử dụng

thay thế cho loại dầu diesel truyền

thống Biodiesel được điều chế

bằng cách dẫn xuất từ một số loại

dầu mỡ sinh học (dầu thực vật, mỡ

động vật), thường được thực hiện

thông qua quá trình transester hóa

bằng cách cho phản ứng với các

loại rượu phổ biến nhất là

methanol

4 Phân loại Biodiesel:

Tùy theo loại của nguyên liệu cơ bản người ta còn chia ra thành:

- Dầu thực vật:

+ RME: Methyl este của cây cải dầu

+ SME: Methyl este của dầu cây đậu nành hay dầu cây hướng dương + PME: Methyl este của dầu dừa hay dầu hạt cau

Hình 1:Biodiesel

- Mỡ động vật:

+ Mỡ gia súc từ các lò giết mổ và các quy trình sản xuất có thịt

+ Mỡ cá từ các quy trình chế biến thủy hải sản

+ Phương pháp pha loãng

+ Phương pháp nhiệt phân

+ Phương pháp tạo vi nhũ tương

Độ nhớt động học ở 40 0C, mm2/sNhiệt trị, kJ/kg

13055

<150.886.040600

6044150.852.642700

 Xúc tác acid

 Kết hợp xúc tác acid và xúc tác kiềm

 Xúc tác bằng enzyme lipase.

 Transester hóa không sử dụng xúc tác với rượu siêu tới hạn

-Một số quy trình trong công nghệ trong sản xuất Biodiesel:

+Transester hóa với xúc tác kiềm

+Transester hóa với xúc tác acid.

+Transester hóa với enzyme lipase

+Transester hóa với methanol siêu tới hạn

CHƯƠNG 2: NHIÊN LIỆU BIODIESEL TỪ DẦU THỰC VẬT:

2.1 Đặc điểm dầu thực vật trong sản xuất Biodiesel:

2.1.1 Nguồn cung cấp từ dầu thực vật :

Dầu thực vật là loại dầu được chiết suất từ các hạt, các quả của cây Nói chung, các hạtquả của cây đều chứa dầu, nhưng từ dầu thực vật chỉ dùng để chỉ dầu của những cây códầu với hàm lượng lớn Dầu lấy từ hạt cây có dầu như: đậu phộng, đậu nành, cải dầu,bông, hướng dương, Dầu lấy từ quả cây có dầu như: dừa, cọ, ô liu …

Có thể phân loại dầu thực vật theo nhu cầu làm thực phẩm cho con người : dầu ăn được

và dầu không ăn được:

- Dầu ăn được phổ biến là các loại như dầu nành, dầu đậu phộng, dầu dừa, dầu cải, dầuhướng dương, … được sử dụng trong các thực phẩm cho con người

- Dầu không dùng trong thực phẩm như dầu hạt kusum, akola, jatropha,mahua, karanja,

… Điển hình là hạt của Jatropa curcas (jatropha) chứa các độc tố như phorbol ester và curcin, hạt của Pongamia pinnata (karanja) chứa các chất độc như furanoflavone,

furanoflavonol,chromenoflavone flavone và furanodiketone

2.1.2 Đặc điểm, tính chất lí hóa của Biodiese từ dầu thực vật:

- Biodiesel là dầu diesel sinh học; là những mono ankyl ester, nó là sảnphẩm của quá trình este hóa của các axít hữu cơ có nhiều trong ,dầuthực vật và được xem là nguồn nhiên liệu sạch, hoàn toàn có thể thaythế nhiên liệu dầu đốt hóa thạch diesel thông thường

- Tính chất vật lý của biodiesel tương tự như diesel nhưng tốt hơndiesel về mặt chất thải, Biodiesel khắc phục được những nhược điểmcủa dầu thực vật như độ nhớt quá lớn, chỉ số Cetan thấp, dễ bị trùnghợp

2.1.3 Thành phần hóa học của dầu thực vật:

Thành phần chủ yếu của dầu thực vật là các phân tử triglyceride chiếm 90-98%

Hình 2: Công thức cấu tạo của triglyceride

Triglyceride được tạo thành từ ba phân tử acid (R-COOH) và một phân tử glycerol[C3H5(OH)3] Trong một phân tử triglyceride, khối lượng phân tử của glycerol là 41 gtrong khi khối lượng phân tử các gốc của acid béo trong khoảng 650 đến 790 g Vì vậy,các gốc acid béo ảnh hưởng rất nhiều đến đặc tính của dầu thực vật Các acid béo khácnhau ở độ dài mạch carbon và số lượng các nối đôi trong mạch Như C18:3 (acidlinolenic) có nghĩa là acid béo này có chứa 18 nguyên tử carbon và 3 nối đôi Tính chấtvật lý và hóa học của nhiên liệu biodiesel chủ yếu phụ thuộc vào thành phần gốc acid béocủa nguyên liệu ban đầu

Một số acid béo thường có mặt trong phân tử triglyceride được liệt kê ở bảng 2

Bảng 2: Công thức hóa học của các acid béo thông dụng trong dầu mỡ

CH3(CH2)14COOH

CH3(CH2)16COOHCH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH

CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOHCH3CH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH

CH3(CH2)18COOH

CH3(CH2)20COOH

CH3(CH2)7CH=CH(CH2)11COOH

Dầu hạt lúa mì chứa 11.4% acid béo 8:0 và 0.4% acid béo 14:0

b Dầu thầu dầu chứa 89.6% acid ricinoloic

c Dầu lá nguyệt quế chứa 26.5% acid béo 12:0 và 4.5% acid béo 14:0

d Dầu lạc chứa 2.7% acid béo 22:0 và 1.3% acid béo 24:0

e Dầu dừa chứa 8.9% aicd béo 8:0, 6.2% acid béo 10:0, 48.8% acid béo 12:0 và 19.9% acid béo 14:0

2.2 Sản xuất Biodiesel từ dầu thực vật (cây dầu mè – Jatropha) :

2.2.1 Sơ lược về cây Jatropha:

Hình 3: Cây Jatropha

 Cây Jatropha curcas thường được gọi là cây Dầu mè hay Cọc rào

có nguồn gốc từ Trung và Nam Mỹ, và thường được dùng làmthuốc Khoảng vài chục năm gần đây các nhà khoa học nhận thấy

có thể tách chiết DO từ hạt Cây Dầu mè có dạng thân bụi, sốnglưu niên, có thể cao tới 5 m Hoa ra quanh năm nếu có tưới, hoặc

có vào mùa mưa Quả có 3 ngăn trong chứa hạt hình oval, màuđen, kích thước 2 × 1cm, khi phơi khô có thể lấy hạt ra dễ dàng

béo 38%, carbohydrates 17%, cellulose 15.5%, chất khoáng 5.3%,còn lại là nước

 Cây Dầu mè có thể sinh trưởng và phát triển từ độ cao 0 – 500 m

so với mực nước biển, trên các vùng đất xấu, khô hạn với lượng mưa từ 300 mm/năm Cây Dầu mè có thể nhân giống bằng hạt hoặc hom cành và có đời sống kinh tế từ 20 – 30 năm Theo tài liệu nước ngoài, từ năm thứ 2 cây Dầu mè đã cho quả, năng xuất

ổn định vào năm thứ 4 – 5 Năng xuất hạt của cây Dầu mè phụ thuộc vào loại đất và độ ẩm

Trung bình có thể thu được 5-6 tấn hạt/ha/năm ở vùng đất cằn cỗi,không được tưới nước và 10 – 12 tấn hạt/ha/năm ở vùng có đầu tư

và ẩm quanh năm Hàm lượng dầu của hạt khoảng 35 – 40 %, nếuchiết ép tốt, từ 3 – 3,5 kg hạt sẽ cho 01 lít dầu thô

- Thiết bị dùng để ép hạt có thế sử dụng máy móc thủy lực hoặc ép cơ khí

- Quá trình ép hạt : Đổ hạt Jatropha vào phễu, máy bắt đầu nghiền Khi thấy bã bắt đầu đùn ra thì dầu cũng bắt đầu chảy Có thể điều chỉnh ống đùn và đường kính lỗ khác nhau để điều chỉnh lượng bã ra, từ đó cóthể ép kiệt dầu hơn

- Quá trình lọc dầu : Dầu sau khi chảy xuống còn lẫn một số tạp chất như vỏ cứng, mảnh nguyên liệu vỡ Để làm sạch dầu cần tiến hành lọc Sau khi ép dầu xong, để dầu lắng một vài ngày rồi loại bỏ lớp cặn bẩn ởdưới, lấy dầu sạch bên trên.

Quy trình:

Hình Quy trình sản xuất từ cây Jatropha thành Biodise

2.2.3 Thành phần và chỉ tiêu kỹ thuật dầu Jatropha:

Sau khi sản phẩm biodiesel được mang đi phân tích GC, ta có thành phần và hàm

lượng như bảng 4 dưới đây:

Bảng 4: Thành phần Biodiesel

Thành phần của biodiesel chủ yếu là methyl este của các acid béo gồm Myristicacid chiếm 0,683 %, Palmitic acid chiếm 35,17 %, Linoleic acid chiếm 8,601 %, Oleicacid chiếm 39,89 % và Stearic acid chiếm 3.745 % Vậy biodiesel có thành phần vàphổ gần giống với biodiesel B100.

Bảng 5: Chỉ tiêu kỹ thuật của dầu Jatropha

2.3 Ưu điểm của Biodiesel từ dầu thực vật:

 Thân thiện với môi trường: Biodiesel có nguồn gốc từ thực vật,

mà thực vật trong quá trình sinh trưởng (quang hợp) lại sửdụng điôxít cacbon (là khí gây hiệu ứng nhà kính - một hiệuứng vật lý khiến Trái Đất nóng lên) nên được xem như làmgiảm sức nóng của Trái Đất

 Nguồn nhiên liệu tái sinh: Biodiesel là nguồn nhiên liệu tái sinhgiúp ta chủ động được về nhiên liệu, không phụ thuộc vào tìnhhình biến động trên thế giới Nguồn năng lượng tái sinh là một yếu tốcực kỳ quan trọng vì người ta ước tính với mức tiêu thụ như hiện nay thìnguồn nhiên liệu từ dầu mỏ sẽ cạn kiệt trong khoảng 50 năm nữa

 Là loại nhiên liệu bị vi sinh vật phân huỷ nên khi thất thoát ra

 Giảm thành phần CO trong khí thải đến 50% và CO2 đến 70%

 Biodiesel có thể đưa vào sử dụng cho các động cơ đốt trong mà trước đây chỉđược thiết kế cho sử dụng nhiên liệu Diesel

 Có chỉ số cetan cao hơn diesel truyền thống: Với trị số cetan như vậy,biodiesel có thể hoàn toàn đáp ứng dễ dàng yêu cầu của những động cơđòi hỏi chất lượng cao với khả năng tự bắt cháy tốt mà không cần tăngtrị số cetan, do đó ít có khả năng gây nổ

 Quá trình cháy sạch:Do trong thành phần có nhiều oxi nên quá trìnhcháy xảy ra gần như hoàn toàn, lượng cặn và bụi giảm đáng kể Do đó,giảm lượng khí thải ra môi trường ngoài

 Làm tăng cường tính bôi trơn nên giảm mài mòn: Khả năng bôi trơnnhiên liệu được xác định bằng phương pháp ASTM D6079 đặc trưngbởi giá trị HFRR, với biodiesel có giá trị HFRR khoảng 200 ( nhỏ hơnrất nhiều so với diesel) nên biodiesel là phụ gia rất tốt cho nhiên liệudiesel thông thường để tăng khả năng bôi trơn

 Nhiệt độ cháy cao hơn so với diesel, do đó an toàn trong việc tồn chứa

và sử dụng

 Có thể được sử dụng trên thị trường cùng lúc với nhiên liệu diesel (chođộng cơ cải tiến hay không cải tiến)

2.4 Nhược điểm của Biodiesel từ dầu thực vật:

 Chi phí công nghệ sản xuất cao hơn so với diesel: Dầu thực vật không được sửdụng rộng rãi vì chúng có giá thành cao hơn so với các nhiên liệu có nguồn gốc

từ dầu mỏ Giá thành cao của dầu thực vật là do chi phí sản xuất cho nhiều giaiđoạn:

 Quá trình trồng trọt, thu hoạch các cây lấy dầu

 Quá trình chế biến, xử lý để tinh sạch dầu từ nguyên liệu thô

 Quá trình chuyển đổi dầu thực vật thành các nhiên liệu để có thể sửdụng được cho động cơ.

 Sản lượng biodiesel hiện nay không đủ để thay thế cho nguồn nhiên liệu hóathạch, mà chỉ thay thế được một phần khi được sử dụng phối hợp với nhau.Hơn nữa việc sử dụng dầu thực vật để sản xuất biodiesel sẽ tạo nên sự cạnhtranh nguồn nguyên liệu đối với ngành thực phẩm.

 Dễ bị oxi hóa: Do trong dầu thực vật chứa nhiều axít béo không no nên dễ bị

oxi hóa Vì vậy, vấn đề bảo quản là vấn đề hàng đầu khi sử dụng biodisel

 Biodiesel nếu rửa không sạch thì khi sử dụng vẫn gây các vấn đề về ô nhiễmmạnh do vẫn còn xà phòng, kiềm dư, methanol và glyxerin tự do