Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia nhiên liệu sinh học E10 và D5 đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ

Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia nhiên liệu sinh học E10 và D5 đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ

đề tài nghiên cứu nào khác

Hà Nội, tháng 01 năm 2014

Nghiên cứu sinh

Lê Danh Quang

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Đào tạo sau đại học, Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện luận án tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Xin cảm ơn Viện Đào tạo sau đại học và Viện Cơ khí Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi làm luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS Phạm Minh Tuấn và PGS.TS Lê Anh Tuấn đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án

Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn và Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ tôi và tạo điều kiện một cách thuận lợi nhất để hoàn thành luận án này

Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Dầu khí Việt Nam đã tạo điều kiện giúp đỡ để tôi được tham gia thực hiện đề tài nghiên cứu qua đó hoàn thành luận án này

Tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Thành Đô, Ban chủ nhiệm khoa Công nghệ kỹ thuật ô tô cùng các thầy cô trong khoa đã hậu thuẫn và động viên tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu

Tôi xin bày tỏ biết ơn sâu sắc tới thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận

án đã đồng ý đọc duyệt và đóng góp ý kiến để tôi có thể hoàn chỉnh luận án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp những người đã luôn động viên, khuyến khích tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện công trình này

Nghiên cứu sinh

Lê Danh Quang

MỤC LỤC

Danh mục các kí hiệu, các chữ viết tắt

Danh mục các hình vẽ, các bảng

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SINH HỌC VÀ PHỤ GIA CHO NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 5

1.1 Nhiên liệu sinh học và vai trò 5

1.1.1 Các dạng nhiên liệu sinh học 5

1.1.1.1 Cồn 5

1.1.1.2 Dầu thực vật 6

1.1.1.3 Metyl este 6

1.1.1.4 Hợp chất chứa oxy 7

1.1.1.5 Dimetyl ether 7

1.1.1.6 Dimetyl cacbonate (DMC) 7

1.1.2 Nhiên liệu bio- diesel 8

1.1.2.1 Khái niệm và nguồn nguyên liệu để sản xuất 8

1.1.2.2 Tình hình sản xuất và sử dụng bio-diesel trên thế giới và Việt Nam 10

1.1.2.3 Tính chất vật lý 12

1.1.2.4 Tính chất hóa học 12

1.1.2.5 Các đặc điểm khác của biodiesel 13

1.1.3 Xăng sinh học 14

1.1.3.1 Khái niệm và nguồn nguyên liệu để sản xuất 14

1.1.3.2 Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol trên thế giới và Việt Nam 14 1.1.3.3 Tính chất vật lý 15

1.1.3.4 Tính chất hóa học 16

1.1.3.5 Các đặc điểm khác của ethanol 17

1.2 Phụ gia cho nhiên liệu động cơ đốt trong 17

1.2.1 Phụ gia cho nhiên liệu hóa thạch 17

1.2.1.1 Phụ gia cho nhiên liệu xăng 18

1.2.1.2 Phụ gia cho nhiên liệu diesel 18

1.2.1.3 Phụ gia nano 19

1.2.1.4 Một số phụ gia điển hình 20

1.2.2 Phụ gia cho nhiên liệu sinh học 22

1.2.2.1 Đặc điểm của phụ gia cho nhiên liệu sinh học 22

1.2.2.2 Một số phụ gia sinh học điển hình 23

1.3 Các công trình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam về phụ gia cho

nhiên liệu sinh học 25

1.3.1 Các nghiên cứu trên thế giới về phụ gia cho nhiên liệu sinh học 25

1.3.2 Các nghiên cứu trong nước 29

30

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHỤ GIA CHO HỖN HỢP ETHANOL SINH HỌC VỚI NHIÊN LIỆU HÓA THẠCH 32

2.1 Nhiên liệu khoáng pha trộn với nhiên liệu sinh học 32

2.1.1 Ethanol nhiên liệu biến tính 32

2.1.2 Chỉ tiêu chất lượng xăng và diesel thông dụng 33

2.1.2.1.Các đặc tính và chỉ tiêu chất lượng của xăng thông dụng 34

2.1.2.2 Chỉ tiêu chất lượng của diesel thông dụng 35

2.1.3 Xăng pha ethanol 36

2.1.4 Diesel pha ethanol 37

2.1.5 Khả năng thích ứng của nhiên liệu khoáng pha trộn với ethanol 37

2.2 Tính chất lý hoá của hỗn hợp ethanol và nhiên liệu hoá thạch E10 và D5 38 2.2.1 Tính chất lý hoá của nhiên liệu E10 38

2.2.2 Tính chất lý hoá của diesel D5 42

2.3 Phụ gia cho hỗn hợp ethanol sinh học với nhiên liệu hóa thạch 48

2.3.1 Phụ gia cho nhiên liệu xăng pha ethanol 48

2.3.1.1 Phụ gia tăng trị số octan 48

2.3.1.2 Nhóm phụ gia trợ tan và chống phân tách pha 49

2.3.1.3 Nhóm phụ gia chống ăn mòn kim loại 51

2.3.1.4 Nhóm phụ gia chống oxy hóa 52

2.3.1.5 Nhóm các phụ gia khác 52

2.3.2 Phụ gia cho diesel pha ethanol 53

2.3.2.1 Nhóm phụ gia cải thiện trị số xetan 54

2.3.2.2 Nhóm phụ gia trợ tan và chống phân tách pha 55

2.3.2.3 Nhóm phụ gia tăng độ nhớt 55

2.3.2.4 Nhóm phụ gia chống ăn mòn, mài mòn, chống đóng cặn 56

2.4 Quy trình phát triển và thử nghiệm phụ gia cho hỗn hợp nhiên liệu sinh học và nhiên liệu hóa thạch 56

58

CHƯƠNG 3 PHÁT TRIỂN PHỤ GIA CHO NHIÊN LIỆU SINH HỌC E10 VÀ D5 60 60

3.1.1 Cơ sở tối ưu hóa 60

63

3.1.3 Ứng dụng 68

3.2 Lựa chọn thành phần phụ gia cho nhiên liệu E10 và D5 bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm 72

3.2.1.Tối ưu hóa thành phần phụ gia cho nhiên liệu E10 72

3.2.2.Tối ưu hóa thành phần phụ gia cho nhiên liệu D5 78

3.3 Đánh giá tính chất và chất lượng của nhiên liệu E10 và D5 khi có phụ gia 82

3.3.1 Đánh giá tính chất và chất lượng nhiên liệu E10 khi có phụ gia 82

3.3.2 Đánh giá tính chất và chất lượng diesel D5 khi có phụ gia 87

3.4 Nhận xét về việc khảo sát nhiên liệu E10 và D5 không và có phụ gia 95

3.4.1 Nhận xét về việc khảo sát nhiên liệu E10 không và có phụ gia 95

3.4.2 Nhận xét về việc khảo sát nhiên liệu D5 không và có phụ gia 95

96

CHƯƠNG 4 THỬ NGHIỆM PHỤ GIA VỚI NHIÊN LIỆU D5 VÀ E10 TRÊN ĐỘNG CƠ 97

97

4.1.1 Động cơ D243 trên băng thử động lực cao 97

4.1.2 Động cơ Dayhan 97 trên băng thử T101D 97

4.1.3 Động cơ ô tô Ford Laser BPD-N 1.8 L trên băng thử động lực cao ETB 98

4.1.4 Xe máy Honda Wave 110 98

4.1.5 Mục tiêu thử nghiệm 99

99

99

100

100

ô tô Ford Laser BPD-N 1.8L

100

4.3.2 Băng thử Didacta T101D dùng thử nghiệm động cơ Dayhan 97 và Honda 110 102

4.3.3 Hệ thống thử nghiệm công suất và khí thải xe máy 102

ử nghiệm phụ gia VPI-D cho nhiên liệu D5 103

4.4.1 103

-D 105

ử nghiệm phụ gia VPI-G cho nhiên liệu E10 109

109

g cơ Dayhan 97, 110 109

111

-N 1.8 L 112

VPI-G 114

liệu có phụ gia VPI-G trên động cơ Dayhan 97 114

4.5.2.2 Thử nghiệm đối chứng đánh giá tác động của phụ gia sau chạy ổn định 100 giờ trên xe Honda Wave 110 118

- -D 120

4.5.3.1 Phụ gia VPI-D cho nhiên liệu D5 120

4.5.3.2 Phụ gia VPI-G cho nhiên liệu E10 121

121

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 123

Kết luận 123

Hướng nghiên cứu tiếp theo 123

TÀI LIỆU THAM KHẢO 125

Tiếng việt 125

Tiếng Anh 126

PHỤ LỤC 1: MỘT SỐ BẢNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 130

1 Một số bảng kết quả đánh giá tính chất và chất lượng của nhiên liệu E10

và D5 khi có phụ gia 130

2 Kết quả thử nghiệm các mẫu nhiên liệu D5 trên động cơ diesel D243 132

3 Kết quả thử nghiệm trên động cơ Dayhan 97 134

4 Kết quả thử nghiệm trên động cơ ô tô Ford laser BPD-N 1.8L 135

5 Kết quả thử nghiệm trên xe Wave 110 136

PHỤ LỤC 2: MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ TRANG THIẾT BỊ VÀ QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 138

1 Một số thiết bị phân tích tính chất lý hóa của nhiên liệu 138

2 Trang thiết bị và quá trình nghiên cứu thực nghiệm NLSH với phụ gia 139

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu viết tắt Chú giải của ký hiệu viết tắt

ASTM American Society for Testing and Metarials (hệ thống tiêu chuẩn) B10 Nhiªn liÖu pha 90% diesel vµ 10% biodiesel

B15 Nhiªn liÖu pha 85% diesel vµ 15% biodiesel

B20 Nhiªn liÖu pha 80% diesel vµ 20% biodiesel

D5 Nhiªn liÖu pha 95% diesel vµ 5% ethanol

DCI Darex corrosion inhibitor (chất ức chế ăn mòn Darex)

DTBP Di-tertiary butyl peroxide

E10 Nhiªn liÖu pha 90% x¨ng vµ 10% ethanol

E15 Nhiªn liÖu pha 85% x¨ng vµ 15% ethanol

E20 Nhiªn liÖu pha 80% x¨ng vµ 20% ethanol

E5 Nhiªn liÖu pha 95% x¨ng vµ 5% ethanol

E85 Nhiªn liÖu pha 15% x¨ng vµ 85% ethanol

EHN 2-Ethylhexyl nitrate

ETB High Dynamic Engine Testbed/ Băng thử động lực cao

ETBE Ethyl Tertiary Buthyl Ether

FFA Free fatty acids (thµnh phÇn axit bÐo tù do)

HĐBM Chất hoạt động bề mặt

HFRR High-frequency receiprocating rig (khả năng bôi trơn)

MMT Methylcyclopentadenyl manganese tricarbonyl

MON Motor Octane Number - chỉ số Octan động cơ

MTBE Methyl Tertiary Buthyl Ether

NLBT Nhiên liệu biến tính

NLSH Nhiên liệu sinh học

NOX Các loại ôxítnitơ

ppm Part per million (mét phÇn triÖu)

QHTN Quy hoạch thực nghiệm

RON Research Octane Number - chỉ số Octan nghiên cứu

TBA Tertiary-butylalcohol

TCVN HÖ thèng tiªu chuÈn ®o l-êng ViÖt Nam

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang Bảng 1.1 Tính chất của ethanol 16

Bảng 2.1 Yêu cầu kỹ thuật đối với ethanol NLBT 33

Bảng 2.2 Đặc tính cơ bản của ethanol NLBT 33

Bảng 2.3 Các chỉ tiêu chất lượng của xăng thông dụng 34

Bảng 2.4 Đặc tính của xăng thông dụng 35

Bảng 2.5 Chỉ tiêu chất lượng của diesel thông dụng 35

Bảng 2.6 Đặc tính nhiên liệu của xăng thông dụng và ethanol NLBT 36

Bảng 2.7 Độ ổn định oxy hóa của xăng-ethanol 38

Bảng 2.8 Trị số octan của xăng và xăng-ethanol 38

Bảng 2.9 Thành phần chưng cất phân đoạn của xăng A90 và xăng E10 39

Bảng 2.10 Áp suất hơi bão hòa của nhiên liệu E10 39

Bảng 2.11 Sự phân tách pha của xăng A90 và nhiên liệu E10 theo nhiệt độ 40

Bảng 2.12 Sự phân tách pha của nhiên liệu E10 theo thời gian ở nhiệt độ thường 40

Bảng 2.13 Sự phân tách pha của nhiên liệu E10 theo hàm lượng nước 40

Bảng 2.14 Ăn mòn mảnh đồng của xăng A90 và nhiên liệu E10 41

Bảng 2.15 Tính chất và chất lượng nhiên liệu E10 41

Bảng 2.16 Tính chất và chất lượng nhiên liệu diesel 42

Bảng 2.17 Diesel pha trộn với ethanol NLBT 43

Bảng 2.18 Trị số xetan của nhiên liệu diesel-ethanol 44

Bảng 2.19 Thành phần cất phân đoạn của nhiên liệu diesel-ethanol 44

Bảng 2.20 Nhiệt độ chớp cháy cốc kín của diesel-ethanol 45

Bảng 2.21 Độ bôi trơn và độ nhớt động học của diesel-ethanol 45

Bảng 2.22 Điểm vẩn đục của nhiên liệu diesel-ethanol 45

Bảng 2.23 Sự phân tách pha của nhiên liệu D5 theo hàm lượng nước 46

Bảng 2.24 Ăn mòn mảnh đồng trong nhiên liệu diesel-ethanol 47

Bảng 2.25 Tính chất và chất lượng nhiên liệu diesel pha 5% ethanol (D5) 47

Bảng 3.1 Giá trị 2 trong kế hoạch thực nghiệm tâm trực giao 71

Bảng 3.2 Giá trị cánh tay đòn trong kế hoạch thực nghiệm tâm trực giao 71

Bảng 3.3 Điều kiện thí nghiệm được chọn 74

Bảng 3.4a Ma trận quy hoạch thực nghiệm tổ hợp phụ gia cho nhiên liệu E10 75

Bảng 3.4b Ma trận quy hoạch thực nghiệm tổ hợp phụ gia cho nhiên liệu E10 77

Bảng 3.5: Điều kiện thí nghiệm được chọn 79

Bảng 3.6 Ma trận quy hoạch thực nghiệm tổ hợp phụ gia cho nhiên liệu diesel D5 81

Bảng 3.7 Ăn mòn mảnh đồng của nhiên liệu E10 có phụ gia 83

Bảng 3.8 Thành phần và hàm lượng của nước biển nhân tạo 85

Bảng 3.9 Thành phần cất phân đoạn của nhiên liệu D5 có phụ gia 87

Bảng 3.10 Trị số xetan của nhiên liệu D5 có và không có phụ gia 88

Bảng 3.11 Nhiệt độ chớp cháy cốc kín của nhiên liệu diesel và D5 có phụ gia 88

Bảng 3.12 Độ bôi trơn và độ nhớt động học của nhiên liệu D5 có phụ gia 89

Bảng 3.13 Sự phân tách pha của diesel-ethanol khi có phụ gia theo thời gian ở nhiệt độ thường 90

Bảng 3.14 Độ ổn định oxy hóa của nhiên liệu D5 khi có phụ gia 91

Bảng 3.15 Ăn mòn tấm đồng trong nhiên liệu D5 khi có phụ gia 91

Hình 3.13 Thép bị ăn mòn trong các mẫu nhiên liệu D5 93

Bảng 3.16 Tốc độ ăn mòn các kim loại nhôm, đồng và thép trong các môi trường nước

chiết từ nhiên liệu thử nghiệm diesel, nhiên liệu D5 có và không có phụ gia 94

Bảng 3.17 Ăn mòn mảnh đồng trong diesel-ethanol 94

Bảng 3.18 Tính chất và chất lượng nhiên liệu D5 khi có 1,0% phụ gia VPI-D 95

Bảng 4.1 Thông số cơ bản của động cơ D243 97

Bảng 4.2 Thông số cơ bản của động cơ Dayhan 97 97

Bảng 4.3 Thông số động cơ xe Ford LaserBPD-N 1.8L 98

Bảng 4.4 Thông số xe Wave 110 99

Bảng 4.5 Kết quả đo khí thải theo chu trình Châu Âu ECE R49 106

Bảng 4.6 Kết quả phân tích mẫu dầu bôi trơn động cơ sử dụng nhiên liệu gia VPI-D 106

Bảng 4.7 Kết quả xác định hạt mài trong dầu bôi trơn động cơ sử dụng nhiên liệu D5 bằng phương pháp Ferograph 107

Bảng 4.8 Kết quả phân tích mẫu dầu bôi trơn động cơ sử dụng nhiên liệu E10 ở thời điểm 0 giờ, sau 50 giờ và 100 giờ hoạt động 116

Bảng 4.9 Kết quả xác định hạt mài trong dầu bôi trơn động cơ sử dụng nhiên liệu E10 bằng phương pháp Ferograph 116

Bảng 4.10 Kích thước các chi tiết trước và sau khi chạy bền 120

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1.1 Cơ cấu sản xuất biodiesel từ các loại dầu khác nhau 8

Hình 1.2 Độ ổn định của hỗn hợp nhiên liệu diesel, ethanol với phụ gia 26

Hình 1.3 Động cơ Ford 1.8L Duratec Flexi Fuel trên băng thử và hình ảnh cặn cacbon bám trên xupap, vòi phun với trường hợp không và có pha phụ gia 26

Hình 1.4 Khối lượng cặn bám trên xupap động cơ sử dụng nhiên liệu E85 khi thay đổi lượng phụ gia 27

Hình 1.5 Khối lượng cặn bám trên xu páp của động cơ khi thay đổi tỷ lệ ethanol 27

Hình 1.6 Hiệu suất nhiệt và phát thải của động cơ với các mẫu nhiên liệu Sample1 (E50 + 5% phụ gia), Sample2 (E60+10% phụ gia) và Sole fuel (xăng gốc) 28

Hình 2.1 Nhiệt độ phân pha của nhiên liệu E10 phụ thuộc hàm lượng nước 41

Hình 2.2 Trị số xetan của nhiên liệu diesel-ethanol phụ thuộc vào nồng độ ethanol 44

Hình 2.3 Nhiệt độ kết tinh của diesel-ethanol theo nồng độ ethanol 46

Hình 2.4 Độ bền phân tách pha của diesel D5 phụ thuộc vào hàm lượng nước 47

Hình 2.5 Khi xảy ra sự phân tách pha trong nhiên liệu xăng-ethanol 50

Hình 2.6 Công thức hóa học của chất phụ gia có nguồn gốc dầu mỡ béo động thực vật 51

Hình 2.7 Chất phụ gia có độ nhớt cao 55

Hình 2.8 Công thức hóa học của một loại phụ gia đa chức năng 56

Hình 2.9 Quy trình phát triển phụ gia cho hỗn hợp nhiên liệu sinh học với nhiên liệu khoáng 58

Hình 3.2 Mô hình đối tượng công nghệ MIMO (nhiều vào, nhiều ra) 69

Hình 3.3 Tọa độ các điểm thí nghiệm của phương án thực nghiệm cấp 2 70

Hình 3.4 Ảnh hưởng của phụ gia đến độ bền phân pha của nhiên liệu E10 83

Hình 3.5 Ảnh hưởng của phụ gia đến độ ổn định ôxy hóa của nhiên liệu E10 83

Hình 3.6 Ảnh soi kim tương mẫu kim loại đồng, nhôm và thép chịu tác động bởi nhiên liệu E10 không có và có phụ gia VPI-G 85

Hình 3.7 Ăn mòn tấm đồng trong nhiên liệu E10 có (a) và không có (b) phụ gia VPI-G sau 7 ngày ở 50o C 85

Hình 3.8 Tác động của phụ gia đến tính chống ăn mòn kim loại trong nhiên liệu E10 87

Hình 3.9 Độ bôi trơn của nhiên liệu D5 phụ thuộc vào phụ gia 89

Hình 3.10 Độ nhớt động học của nhiên liệu D5 phụ thuộc vào phụ gia 89

Hình 3.11 Độ bền phân tách pha của nhiên liệu D5 phụ thuộc vào phụ gia 90

Hình 3.12 Ảnh soi kim tương mẫu kim loại đồng, nhôm và thép chịu tác động bởi nhiên liệu D5 không và có phụ gia VPI-D 92

Hình 3.13 Thép bị ăn mòn trong các mẫu nhiên liệu D5 93

Hình 4.1 Động cơ D243 trên băng thử ETB 97

Hình 4.2 Động cơ Dayhan 97 trên băng thử 97

Hình 4.3 Đo đặc tính trên băng thử xe máy CD20” 98

Hình 4.4 Sơ đồ băng thử động lực học cao ETB 101

Hình 4.6 Sơ đồ Sơ đồ băng thử Chassis Dynamometer 20’’ 103

- 104

Hình 4.8 Tỷ lệ cải thiện các thông số tính năng và phát thải của động cơ D243 khi sử dụng nhiên liệu D5 pha phụ gia VPI-D 104

-điểm 0 giờ, sau 50 giờ và 100 giờ chạy ổn định với nhiên liệu D5 có phụ gia 105

Hình 4.10 Ảnh hạt mài trong dầu bôi trơn trước khi chạy bền với nhiên liệu D5 107

Hình 4.11 Ảnh hạt mài trong dầu bôi trơn sau khi chạy bền 50 giờ với nhiên liệu D5 108 Hình 4.12 Ảnh hạt mài trong dầu bôi trơn sau khi chạy bền 100 giờ với nhiên liệu D5 108

Hình 4.13 Hình ảnh kết cặn cacbon trên vòi phun động cơ D243 khi động cơ chạy nhiên

liệu D5 có phụ gia sau 50 giờ và 100 giờ 109

110

Hình 4.15 Tỷ lệ cải thiện các thông số tính năng và phát thải của động cơ khi pha phụ gia VPI-G 110

Wave 110 theo tốc độ ở chế độ toàn tải 111

Hình 4.17 Tỷ lệ cải thiện các thông số tính năng và phát thải của động cơ xe Wave khi dùng nhiên liệu E10 pha phụ gia VPI-G so với trường hợp không pha phụ gia 112

Hình 4.18 Tỷ lệ cải thiện các thông số tính năng và phát thải của động cơ xe Wave khi nhiên liệu E10 pha phụ gia VPI-G so với trường hợp pha phụ gia Keropur 112

theo tốc độ ở chế độ toàn tải 113

Hình 4.20 Tỷ lệ cải thiện các thông số tính năng và phát thải của động cơ ô tô Ford khi nhiên liệu E10 pha phụ gia VPI-G so với trường hợp không pha phụ gia 113

Hình 4.21 Tỷ lệ cải thiện các thông số tính năng và phát thải của động cơ ô tô Ford khi nhiên liệu E10 pha phụ gia VPI-G so với trường hợp pha phụ gia Keropur 114

giờ và 100 giờ chạy ổn định với E10 có phụ gia 114

điểm 0 giờ, sau 50 giờ và 100 giờ chạy ổn định với E10 có phụ gia 115

điểm 0 giờ, sau 50 giờ và 100 giờ chạy ổn định với E10 có phụ gia 115

Hình 4.25 Ảnh hạt mài trong dầu bôi trơn trước khi chạy bền với nhiên liệu E10 117

Hình 4.26 Ảnh hạt mài trong dầu bôi trơn sau khi chạy bền 50 giờ với nhiên liệu E10 117 Hình 4.27 Ảnh hạt mài trong dầu bôi trơn sau khi chạy bền 100 giờ với nhiên liệu E10 117 Hình 4.28 Hình ảnh kết cặn cacbon trên bugi khi động cơ Dayhan 97 chạy nhiên liệu E10 có phụ gia sau 50 giờ và 100 giờ 118

chạy ổn định với ba mẫu nhiên liệu E10 không và có phụ gia 118

giờ chạy ổn định với E10 không và có các phụ gia 119

Hình 4.31 Tỷ lệ cải thiện các thông số tính năng và phát thải của xe Wave 110cc sau 100 giờ chạy ổn định với E10 pha phụ gia VPI-G với trường hợp không pha phụ gia 119

Hình 4.32 Tỷ lệ cải thiện các thông số tính năng và phát thải của xe Wave 110 sau 100 giờ chạy ổn định với E10 pha phụ gia VPI-G với trường hợp pha phụ gia Keropur 119

MỞ ĐẦU

Ngày nay thế giới đang phải đối mặt với một thực tế là nguồn nhiên liệu hóa thạch dầu mỏ đang có xu hướng ngày càng cạn dần Bên cạnh đó, vấn đề ô nhiễm môi trường do khí thải từ các phương tiện giao thông vận tải cũng đang trở nên đáng báo động

Một hướng đang được tập trung nghiên cứu nhằm tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu khí thải độc hại từ động cơ là sử dụng nhiên liệu sinh học phối trộn cùng nhiên liệu hóa thạch, trong đó ethanol sinh học đang được quan tâm vì nguồn cung khá dồi dào và có khả năng pha trộn cho cả xăng và diesel Tuy nhiên do ethanol pha vào nhiên liệu khoáng thì tính chất và chất lượng của nhiên liệu nhận được sẽ bị thay đổi so với ban đầu Sự thay đổi nhiều hay ít phụ thuộc vào tỷ lệ ethanol so với nhiên liệu khoáng

Để thuận tiện trong cách gọi, hỗn hợp giữa nhiên liệu sinh học và nhiên liệu khoáng với các tỷ lệ pha khác nhau đều gọi chung là nhiên liệu sinh học (NLSH) Tuy nhiên, để phân biệt thì cần chỉ rõ tỷ lệ nhiên liệu sinh học/nhiên liệu khoáng và viết theo ký hiệu riêng Ví dụ: nhiên liệu sinh học E5, E10, D5, D10, B10, B20 còn gọi xăng sinh học E5 (hỗn hợp gồm 5% ethanol và 95% xăng khoáng), diesel sinh học D5 còn gọi là diesohol D5 (hỗn hợp gồm 5% ethanol và 95% diesel khoáng), diesel sinh học B10 (hỗn hợp gồm 10% bio diesel và 90% diesel)

Khi pha ethanol vào nhiên liệu khoáng thì sẽ có ảnh hưởng nhất định đến tính bền vững của hỗn hợp, tính đồng pha, tính ăn mòn kim loại cho nên cần thiết phải có chất phụ gia phù hợp do vậy phụ gia trong hỗn hợp nhiên liệu có tác dụng cải thiện và bổ sung các tính chất cần thiết hoặc còn thiếu của hỗn hợp ethanol và nhiên liệu khoáng nhằm đảm bảo yêu cầu kỹ thuật cũng như chất lượng nhiên liệu Có nhiều loại phụ gia với công dụng khác nhau nhưng có thể chia thành hai nhóm: nhóm phụ gia tính năng và nhóm phụ gia tồn trữ bảo quản

Khi phối trộn nhiên liệu khoáng với nhiên liệu sinh học mà ethanol là một trường hợp phổ biến, vai trò của phụ gia càng được quan tâm nhiều hơn Phụ gia cho xăng pha ethanol và phụ gia cho diesel pha ethanol về mặt nguyên tắc cũng giống như phụ gia cho xăng và diesel khoáng Tuy nhiên, do tính chất đặc thù của nhiên liệu hỗn hợp, trong thành phần phụ gia sử dụng cho các loại nhiên liệu này cần có sự thay đổi sao cho phù hợp Trên thế giới, đã có những công ty, tổ chức nghiên cứu và sử dụng phụ gia cho nhiên liệu sinh học Tại Việt Nam chưa có nghiên cứu cụ thể để tìm ra phụ gia có đủ các tính năng cho nhiên liệu sinh học để ứng dụng có hiệu quả

Để giảm bớt sự phụ thuộc vào dầu mỏ, than đá và bù đắp cho sự thiếu hụt năng lượng trong tương lai, năm 2007, Chính phủ đã phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” theo quyết định 177/2007/QĐ-TTg năm 2007 Mới đây, ngày 22/11/2012, Thủ tướng Chính phủ ký Quyết định số 53/2012/QĐ-TTg ban hành lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống Theo đó:

Đối với nhiên liệu E5: Từ ngày 01/12/2014, xăng được sản xuất, phối chế, kinh doanh để sử dụng cho phương tiện cơ giới đường bộ tiêu thụ trên địa bàn các tỉnh, thành phố: Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng, Cần Thơ, Quảng Ngãi, Bà Rịa – Vũng Tàu Từ 01/12/2015 xăng được sản xuất, phối chế, kinh doanh để sử dụng cho phương tiện cơ giới đường bộ tiêu thụ trên toàn quốc

Đối với nhiên liệu E10: Từ ngày 01/12/2016, xăng được sản xuất, phối chế, kinh doanh để sử dụng cho phương tiện cơ giới đường bộ tiêu thụ trên địa bàn các tỉnh, thành phố: Hà Nội, Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng, Cần Thơ, Quảng Ngãi, Bà Rịa – Vũng

Tàu Từ 01/12/2017 xăng được sản xuất, phối chế, kinh doanh để sử dụng cho phương tiện

cơ giới đường bộ tiêu thụ trên toàn quốc

Đặc biệt, trong thời gian chưa thực hiện áp dụng tỉ lệ phối trộn theo Lộ trình khuyến khích các tổ chức, cá nhân sản xuất, phối chế, kinh doanh xăng E5, E10, diesel B5 và B10 Nhiên liệu E5 được khẳng định về các tính năng kinh tế, kỹ thuật và đã được đưa vào

sử dụng Để đáp ứng được lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn NLSH với nhiên liệu khoáng của chính phủ thì việc nghiên cứu đưa nhiên liệu E10 vào sử dụng là rất cấp thiết Với tỷ lệ pha này cần thiết phải có nghiên cứu cẩn thận để đảm bảo về an toàn cháy nổ, các tính năng kỹ thuật của nhiên liệu cũng như khi sử dụng cho động cơ thì việc nghiên cứu phát triển phụ gia cho loại nhiên liệu này cũng trở nên cấp thiết và có vai trò rất quan trọng

Song song với nghiên cứu pha ethanol vào xăng và đã thành công cho nhiên liệu E5

và tiến tới E10, ở nước ta cũng dần từng bước phát triển cho nhiên liệu diesel pha ethanol

vì những lý do đã trình bày ở trên và do nước ta chưa sản xuất biodiesel ở quy mô công nghiệp mà mới ở mức thử nghiệm, nhỏ lẻ và giá thành cao nên thời điểm này chưa áp dụng phối trộn biodiesel với diesel khoáng, bước đầu nghiên cứu ứng dụng cho nhiên liệu diesohol D5 (tỷ lệ pha 5% ethanol và 95% diesel) Do đó việc nghiên cứu phát triển phụ gia cho loại nhiên liệu này cũng trở nên cấp thiết và có vai trò rất quan trọng

và D5, tuy nhiên giá thành rất cao Ngoài ra, nguồn nguyên liệu sản xuất NLSH trong nước

có những điểm khác biệt của nước ngoài và thời tiết nhiệt đới cũng khác biệt nên việc sử dụng phụ gia cũng cần có những thay đổi về thành phần đảm bảo phù hợp hơn với thời tiết

và nguyên liệu sản xuất ở Việt Nam

Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia nhiên liệu sinh học E10 và D5 đến các

triển và ứng dụng phụ gia cho nhiên liệu sinh học đáp ứng nhu cầu sản xuất và kinh doanh nhiên liệu sinh học ở nước ta, góp phần cắt giảm lượng sử dụng nhiên liệu hóa thạch, giảm phát thải của thực tiễn Việc nghiên cứu phát triển phụ gia trong nước giúp chủ động nguồn cung, giảm sự phụ thuộc vào nước ngoài và giá thành hạ

Luận án này được thực hiện chủ yếu trên cơ sở đề tài hợp tác giữa Trung tâm Ứng dụng và Chuyển giao Công nghệ, Viện dầu khí Việt Nam và Bộ môn Động cơ đốt trong, Viện cơ khí động lực, Đại học Bách khoa Hà Nội [17], [33] Kết quả

- nhiên liệu D5 và VPI-G cho E10

gia đa chức năng (chống phân tách pha, ổn định oxi hóa, bảo vệ kim loại… ), qua đó nâng cao chất lượng cho D5 và E10 Sau khi xác lập được phụ gia mới, phụ gia được kiểm tra đối chứng với trường hợp nhiên liệu không pha phụ gia và có pha các loại phụ gia đang sử dụng phổ biến và hiệu quả của nước ngoài về các tính chất hóa lý theo TCVN và ASTM trong phòng thí nghiệm Kết quả cho thấy phụ gia VPI-D và VPI-G có chất lượng tương tương phụ gia của nước ngoài, bên cạnh đó còn có một số tính chất có nhiều ưu điểm hơn

đối chứngVPI-

trình thử ổn định 100 giờ không phát hiện ảnh hưởng xấu đến dầu bôi trơn cũng như không có hiện tượng đọng bám, tắc vòi phun Kết quả thử nghiệm đối chứng trên động cơ xăng Dayhan 97, xe Honda Wave 110 và động cơ ô tô Ford laser 1.8 L dùng nhiên liệu E10 với phụ gia VPI-G cũng cho kết quả tương tự và không có hiện tượng bám cặn các bon trên cực bugi Ngoài ra kết quả đối chứng trước và sau chạy bền đối với phụ gia Keropur loại đang dùng cho nhiên liệu E10 của nước ngoài (sản phẩm của tập đoàn đa quốc gia BASF-The Chemical Company) cho thấy các thông số tính năng và phát thải của động cơ được cải thiện hơn

i Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Đánh giá ảnh hưởng của chất phụ gia cho nhiên liệu sinh học E10 và D5 đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ như công suất, tiêu hao nhiên liệu, mức phát thải, mài mòn… Đây là những tổ hợp phụ gia mới được nghiên cứu phát triển

Đề tài cũng nhằm đưa ra được quy trình về phát triển, phụ gia cho nhiên liệu sinh học phối trộn với nhiên liệu khoáng

Đề tài đưa ra giải pháp phát triển tổ hợp phụ gia đa tính năng cho NLSH trên cơ sở xác định chất phụ gia, tỷ lệ các thành phần phụ gia tính năng đơn lẻ (bằng phương pháp tính toán tối ưu hóa, bằng khảo nghiệm hóa lý trong phòng thí nghiệm) Áp dụng giải pháp

để cắt giảm lượng sử dụng nhiên liệu hóa thạch và giảm phát thải cho động cơ đốt trong

mà trước hết tập trung vào nghiên cứu phụ gia cho nhiên liệu E10 và D5 để đáp ứng đúng

và kịp thời lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn NLSH với nhiên liệu truyền thống của chính phủ đã phê duyệt ở trên

Việc nghiên cứu được thực hiện trên cơ sở đặc điểm của nhiên liệu sinh học, điều kiện thời tiết và bảo quản của Việt Nam Sau khi đã lựa chọn được thành phần, xây dựng được đơn pha chế, khảo nghiệm và đánh giá chất lượng các phụ gia cho nhiên liệu E10 và D5 về mặt lý-hóa trong phòng thí nghiêm đảm bảo các tiêu chuẩn TCVN và ASTM, phụ gia sẽ được thực nghiệm trên động cơ và phương tiện để đánh giá các đặc tính kinh tế-kỹ thuật, từ đó có những đề xuất, kiến nghị để đưa vào ứng dụng trong thực tiễn có hiệu quả Động cơ D243, động cơ Dayhan 97, động cơ xe ô tô Ford laser 1.8 và xe Wave Honda là các loại động cơ sử dụng phổ biến ở Việt Nam được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu Các nội dung nghiên cứu của được thực hiện tại Viện dầu khí Việt Nam, Viện hóa học công nghiệp Việt Nam và PTN Động cơ đốt trong, Trường ĐH Bách khoa Hà Nội

Đề tài tập hợp những nghiên cứu về tổng quan nhiên liệu sinh học và phụ gia, lý thuyết về ảnh hưởng của phụ gia trong nhiên liệu; lựa chọn nhiên liệu sinh học khảo sát; lựa chọn phụ gia cho nhiên liệu sinh học đã chọn; lựa chọn động cơ thử nghiệm và qui trình cùng các chế độ thử nghiệm; tiến hành thử nghiệm đối chứng theo kế hoạch đề ra; thảo luận kết quả nghiên cứu và kết luận

ii Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của đề tài là sử dụng phương pháp tối ưu hóa (dùng quy hoạch thực nghiệm) để tìm ra tỷ lệ các thành phần chất phụ gia đơn lẻ tối ưu nhất trong tổ hợp phụ gia cho nhiên liệu sinh học E10 và D5, thực nghiệm đối chứng các chỉ tiêu về tính chất hóa lý, tính ăn mòn, chống phân tách pha… trong phòng thí nghiệm giữa nhiên liệu không phụ gia và có phụ gia, giữa các phụ gia với nhau Cuối cùng là nghiên cứu thực nghiệm theo phương pháp đối chứng trên động cơ và phương tiện để đánh giá ảnh hưởng

của phụ gia đến các thông số kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ ở thời điểm 0 giờ (sau khi căn chỉnh, động cơ làm việc ổn định thì thực hiện thử nghiệm và quy ước là thời điểm không giờ) và sau khi chạy ổn định với phụ gia

Ngoài ra, cũng áp dụng phương pháp thống kê, xử lý số liệu cho nghiên cứu

iii Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Đề tài ứng dụng được Quy hoạch thực nghiệm xác định tỷ lệ thành phần phụ gia cho nhiên liệu sinh học E10 và D5 phù hợp với điều kiện của Việt Nam, đảm bảo được các yêu cầu về tính năng sử dụng, tồn trữ, bảo quản và môi trường và có thể đưa nhiên liệu E10, D5 sử dụng thực tiễn Ngoài ra, luận án đưa ra phương pháp, quy trình phát triển phụ gia cho nhiên liệu sinh học nói chung

Đưa ra được phương pháp đánh giá ảnh hưởng của phụ gia về tính năng và phát thải của động cơ, những lợi ích kinh tế của phụ gia mới cho nhiên liệu E10 và D5, góp phần bổ sung vào tiêu chuẩn cho nhiên liệu sinh học của Việt Nam

Hai tổ hợp phụ gia VPI-G cho nhiên liệu E10 và VPI-D cho nhiên liệu D5 đã được đánh giá về khả năng thích ứng khi sử dụng trên các đối tượng động cơ nghiên cứu

Như vậy, đây là đề tài có ý nghĩa về mặt khoa học và thực tiễn rõ nét trong bối cảnh nền công nghiệp NLSH còn rất mới mẻ ở nước ta, góp phần xây dựng tiêu chuẩn cho nhiên liệu sinh học Việt Nam, bên cạnh đó kết quả nghiên cứu còn góp phần đảm bảo đúng lộ trình tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu khoáng của chính phủ đề ra

Ngoài ra, việc phát triển phụ gia trong nước sẽ mang lại hiệu quả kinh tế do các thành phần được lựa chọn rẻ tiền, dễ kiếm do vậy sẽ rẻ hơn tổ hợp phụ gia nhập ngoại, không những thế, phụ gia sẽ phù hợp hơn với nguồn ethanol và thời tiết của Việt Nam Luận án này còn làm cơ sở nghiên cứu cho các nhà khoa học, các học viên và những người quan tâm đến lĩnh vực nhiên liệu sinh học và phụ gia

Như vậy đề tài đưa ra một giải pháp toàn diện và khả thi trong việc phát triển và áp dụng phụ gia cho nhiên liệu sinh học E10 và D5 trong tương lai gần

Nội dung của Luận án gồm:

Mở đầu

Chương 1 Tổng quan về nhiên liệu sinh học và phụ gia cho nhiên liệu động cơ đốt trong Chương 2 Cơ sở lý thuyết về phụ gia cho hỗn hợp nhiên liệu sinh học với nhiên liệu hóa thạch

Chương 3 Phát triển phụ gia cho nhiên liệu sinh học E10 và D5

Chương 4 Thử nghiệm phụ gia cho nhiên liệu D5 và E10 trên động cơ

Kết luận và kiến nghị

Mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng chắc rằng Luận án sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Do vậy NCS mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ quý thầy cô, các nhà chuyên môn cùng quý đồng nghiệp

Xin chân thành cảm ơn!

Hà nội, tháng 01 năm 2014

NCS Lê Danh Quang

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SINH HỌC VÀ PHỤ GIA CHO NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1 Nhiên liệu sinh học và vai trò

Do nguồn nhiên liệu hóa thạch sẽ cạn kiệt trong thời gian tới, ngoài ra khí thải của động cơ dùng nhiên liệu truyền thống (xăng và diesel) gây ô nhiễm môi trường ngày càng trầm trọng nên việc nghiên cứu tìm ra nguồn nhiên liệu thay thế và đảm bảo sạch, thân thiện với môi trường đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu Trong số đó nhiên liệu sinh học đã được các nhà khoa học hướng đến và đạt được những thành tựu nhất định

Nhiên liệu sinh học thuộc loại nhiên liệu tái tạo được định nghĩa là bất kỳ loại nhiên liệu nào nhận được từ sinh khối, được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc từ động thực vật [4] Ví dụ như nhiên liệu sản xuất từ chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa ) ngũ cốc (lúa mỳ, ngô, đậu tương) các chất thải nông nghiệp (rơm rạ, phân ) sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa, gỗ thải ) Chúng bao gồm bioethanol, biodiesel, biogas, ethanol pha trộn (ethanol - blended fuels), dimetyl este sinh học và dầu thực vật Nhiên liệu sinh học (NLSH) được phân thành hai nhóm, nhóm dùng cho động cơ xăng gồm các dạng cồn nhưng phổ biến là bioethanol và nhóm dùng cho động cơ diesel là các este của dầu béo (biodiesel) và diesel-ethanol (phối trộn ethanol vào nhiên liệu diesel) Với nguyên liệu là tinh bột và đường nhờ quá trình phân giải của vi sinh vật có thể sản xuất ra ethanol, sau đó tách nước bổ sung các chất phụ gia thành ethanol biến tính gọi là ethanol nhiên liệu biến tính hay cồn nhiên liệu Còn diesel sinh học được chế biến từ dầu thực vật và mỡ động vật Nhiều nước trên thế giới đã tiến hành nghiên cứu tận dụng và trồng các loài cây nông, lâm nghiệp để cung cấp nguyên liệu sinh học cho chế biến loại nhiên liệu này

Việc sử dụng nhiên liệu sinh học có vai trò rất quan trọng cho nền kinh tế thế giới và của nước ta, điều này mang lại các lợi ích:

- Thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch đang cạn dần Theo nghiên cứu và thăm dò

của các chuyên gia về năng lượng thì trên trái đất có khoảng 280.000 tỷ tấn dầu mỏ [16],

như vậy dầu mỏ không phải là nguồn vô hạn, dự báo sẽ cạn kiệt trong thời gian tới (theo uỷ

ban năng lượng thế giới dự báo: dầu mỏ còn khoảng 39 năm) [22] Đứng trước nguy cơ

thiếu nhiên liệu trầm trọng và việc tìm kiếm nguồn nhiên liệu thay thế là đòi hỏi cấp bách Những năm gần đây nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu tìm nguồn nhiên liệu mới có nguồn gốc từ sinh học cho động cơ đốt trong thay thế nhiên liệu truyền thống

- Giảm ô nhiễm môi trường do độc hại ít hơn Nhiều nghiên cứu trên thế giới đã

khẳng định sự phát thải độc hại như CO, HC, PM (động cơ diesel) và CO2 đều giảm đáng

kể

- Ngoài ra, còn tạo công ăn việc làm, phát triển kinh tế xã hội ở những nơi chậm phát

triển như nông thôn, rừng… đồng thời tận dụng tài nguyên (phế phẩm thừa của nông

nghiệp, công nghiệp thực phẩm…) làm nhiên liệu

Nhận thức rõ vai trò của NLSH, Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” theo quyết định 177/2007/QĐ-TTg năm 2007 [23]

1.1.1 Các dạng nhiên liệu sinh học

1.1.1.1 Cồn

Methanol: Đây là loại cồn đơn giản nhất chứa 1 nguyên tử C trong mỗi phân tử

(CH3OH) Là chất lỏng nhạt, không màu với mùi gây chóng mặt, độc có thể hấp thụ qua

da Phần lớn methanol được làm từ than đá và khí tự nhiên, cũng có thể làm từ nguồn tái sinh như gỗ hoặc giấy thải Để làm nhiên liệu động cơ có thể dùng M100 (methanol nguyên chất), thực tế chỉ dùng M85 (hỗn hợp 85% methanol và 15% xăng) có chỉ số octan

102 Do M85 là chất lỏng, nó có thể được tích trữ và phân phối trong hệ thống phân phối chất lỏng như xăng Để dùng M85, xe phải được thay đổi cho phù hợp như tỷ số nén cao hơn, hệ thống nạp thiết kế lại để lấy đủ khí Do vậy, các xe được trang bị một cảm biến đặc biệt nhận biết tỷ lệ cồn và xăng rồi đưa ra tín hiệu đến ECU để điều chỉnh tỷ lệ phối hợp nhiên liệu cũng như quyết định thời điểm đánh lửa Xe chạy methanol yêu cầu dầu bôi trơn riêng chịu được tác hại của methanol, dầu này đắt hơn dầu thường vì nó được sản xuất với số lượng hạn chế

Ethanol: Có công thức hóa học C2H5OH, dễ cháy, không màu, được sản xuất từ nguồn nguyên liệu sinh học như khoai tây, ngũ cốc, củ cải đường, mía đường, gỗ, chất thải nhà máy bia, nhiều sản phẩm nông nghiệp khác, thực phẩm hỏng trong quá trình lên men, cũng có thể sản xuất từ khí tự nhiên và dầu thô Ethanol hầu như không độc, hòa tan được trong nước, có thể bị phân hủy và dễ cháy hơn xăng Ethanol nguyên chất ít được dùng làm nhiên liệu, nhưng thường được trộn với xăng để thỏa mãn nhu cầu nhiên liệu sạch Xăng E5 và E10 đã được khuyến khích và bắt buộc sử dụng tại hơn 30 nước trên thế giới do đem lại những lợi ích to lớn trong việc đảm bảo an ninh năng lượng, phát triển kinh tế và cải thiện chất lượng môi trường

Cụ thể E10 được dùng ở Mỹ nhiều năm qua Còn ở Braxin ethanol sinh học thường được làm

từ mía đường làm nhiên liệu chủ yếu trong phương tiện giao thông Trung Quốc và Thái lan cũng đã sử dụng nhiên liệu E10 Tại Việt Nam cũng đã đưa xăng E5 vào sử dụng và đang triển khai nghiên cứu sử dụng nhiên liệu E10

1.1.1.2 Dầu thực vật

Dầu thực vật về tính chất lý hóa, phần lớn có trị số cetane cao và số octane thấp, độ nhớt cao và nhiệt độ tự cháy thấp chỉ có thể ứng dụng cho động cơ diesel Dầu thực vật có thể làm nhiên liệu bao gồm dầu hạt cây cải dầu, dầu ôliu, dầu hạt đậu tương, dầu cọ, dầu cây hướng dương, dầu ngô Chúng là loại nhiên liệu tiềm năng cho động cơ diesel Lần đầu tiên, vào đầu thập kỷ 70 của thế kỷ trước, dầu thực vật thô được thử làm nhiên liệu cho động cơ diesel Kết quả thử nghiệm cho thấy, những loại dầu này so với nhiên liệu diesel

có thời gian phun lâu hơn, cháy trễ ngắn hơn, thời gian cháy dài hơn Còn các cuộc thử nghiệm bền cho thấy có sự thoái hóa động cơ nhanh hơn, sự mài mòn của bơm cao áp, đóng muội than ở đế xupáp, vòi phun, thân xupáp và tích tụ trong buồng cháy, đỉnh piston nhiều hơn… hiệu suất động cơ giảm đáng kể, công suất động cơ giảm, dễ kẹt xécmăng, tắc

hệ thống nhiên liệu, đóng muội than trong buồng cháy Dầu thực vật thô cũng có nhiệt độ khởi động lạnh rất cao, vì vậy cần phải sấy nóng nhiên liệu trước khi khởi động

1.1.1.3 Metyl este

Metyl este là sản phẩm của quá trình trao đổi este từ dầu thực vật Đây là một loại biodiesel Biodiesel thường dùng có tên monoankyl este (methyl hoặc ethyl este) của axit béo có chuỗi phân tử dài được lấy từ lipit như dầu thực vật hoặc mỡ thực vật Nó là sản phẩm trong quá trình este hóa từ dầu nho, dầu đậu tương, dầu cây hướng dương, dầu conola, dầu cọ và được sử dụng làm dầu ăn và nhiều chất béo khác Dầu đậu dùng nhiều ở

Mỹ, trong khi dầu cây cải dầu (gọi là RME, Rapeseed Methyl Este) được sử dụng khá nhiều ở Châu Âu Quá trình este hóa dễ dàng thực hiện được khi methanol được dùng làm chất phản ứng để thu được methyl este Phản ứng này có thể thực hiện trong điều kiện nhiệt độ khoảng 500C và áp suất khí quyển với glyxerin là sản phẩm phụ

Metyl este không độc, có thể bị vi khuẩn phân hủy, đặc biệt không tan trong nước, cơ bản không chứa sunphua hoặc gốc thơm Nó làm mềm và thoái hóa các loại hợp chất cao

su tự nhiên và có thể ảnh hưởng đến các thành phần của hệ thống nhiên liệu do vậy cần chú

ý khi sử dụng Có thể sử dụng metyl este nguyên chất hoặc pha với dầu diesel thông thường Do metyl este có tính chất bôi trơn đặc biệt nên thường được dùng như chất phụ gia nhờn cho nhiên liệu diesel có hàm lượng sunphua thấp Mặt hạn chế khi sử dụng metyl este tinh khiết làm nhiên liệu là nhiệt độ hóa hơi thấp và tính ổn định sinh học kém

sử dụng trong xăng từ những năm 30 và MTBE được sử dụng lần đầu tiên trong các sản phẩm xăng thương mại ở Ý vào năm 1973 [4]

1.1.1.5 Dimetyl ether

Dimetyl ether (DME) là hợp chất có công thức hóa học đơn giản nhất và được sử

dụng một cách rộng rãi như là chất đẩy dùng trong các bình xịt DME là chất khí ở nhiệt độ môi trường và áp suất khí quyển, nhưng có thể hóa lỏng với điều kiện áp suất thấp (0,5 MPa tại 250C) Nó có thể được sản xuất từ gas tự nhiên hoặc từ sinh vật DME không độc, không ăn mòn và không có chất gây ung thư, trong trường hợp bị rò rỉ nó phân hủy rất nhanh trong khí quyển Về mặt sinh thái, DME cũng được coi là một loại nhiên liệu tốt cho động cơ, bởi nó rất dễ cháy và phát thải ít DME có chỉ số octane khoảng 60 Tính bôi trơn của DME thấp vì độ nhớt của nó rất thấp (khoảng 1/30 so với nhiên liệu diesel) Vì vậy, để tránh mài mòn vòi phun cần được cho thêm chất bôi trơn Trước đây, DME nguyên chất là nhiên liệu tốt cho động cơ diesel, bởi vì động cơ sử dụng nhiên liệu đó có đặc điểm cháy rất tốt, lượng phát thải thấp, đặc biệt giảm thải NOx và khói Sử dụng DME trên phương tiện vận tải có ưu điểm hơn là dùng methanol vì sử dụng methanol có quá trình cháy xấu, tuy nhiên có thể khắc phục nhược điểm này bằng cách chuyển hóa methanol thành DME theo phản ứng:

2CH3OH CH3OCH3 + H2O Phản ứng này cần có mặt chất xúc tác -Al2O3, lựa chọn theo tính toán về hiệu quả và giá thành của nó Ở nhiệt độ và áp suất môi trường, DME là một chất khí, vì vậy nó được đưa vào xy lanh động cơ ở dạng hơi sương Tuy nhiên sử dụng nhiên liệu DME có thể xuất hiện hơi nước, đó là nhược điểm chính của loại nhiên liệu này [4]

1.1.1.6 Dimetyl cacbonate (DMC)

DMC là một chất lỏng ở nhiệt độ và áp suất môi trường Nó không màu, không độc

và không gây ăn mòn Nó có thể trộn lẫn với nhiên liệu diesel theo một vài tỷ lệ nhất định DMC khi pha vào nhiên liệu diesel có vai trò như một chất phụ gia, bởi vì nó chứa 53% (về trọng lượng) oxy Hiện tại, DMC được sản xuất từ phosgene (COCl2) và methanol với HCl là phụ phẩm Bởi vì phosgene là một chất hóa học cực kỳ độc và nguy hiểm, nhiều công ty đang tìm kiếm và phát triển chất thay thế thân thiện với môi trường để loại bỏ phosgene Một chất thay thế có thể là sản xuất DMC từ methanol, CO và O2 với chất xúc tác HCl thêm 5% KCl vào [4] theo phản ứng sau:

2CH3OH + CO + 1/2O2 = CH3OCOO-CH3 + H2O

Như chúng ta có thể thấy có rất nhiều loại nhiên liệu sinh học Tuy nhiên, có thể quy

về hai loại thường dùng cho động cơ đốt trong đó là biodiesel và ethanol

1.1.2 Nhiên liệu bio- diesel

1.1.2.1 Khái niệm và nguồn nguyên liệu để sản xuất

Biodiesel được định nghĩa là một dạng nhiên liệu dùng để thay thế diesel có nguồn gốc

từ dầu thực vật (đậu nành, dừa, cọ, hạt caosu ) hoặc mỡ động vật (ví dụ mỡ cá basa, cá tra,

mỡ bò, mỡ lợn, mỡ gà ), được sử dụng rất thông dụng trên thị trường Châu Âu, Châu Mỹ

và hiện nay bắt đầu xuất hiện ở Châu Á Biodiesel là các ankyl este của axit béo Cũng giống như diesel, biodiesel có thể sử dụng làm nhiên liệu cho các động cơ đốt trong Việt Nam, một nước nông nghiệp có nguồn dầu thực vật phong phú thì việc sử dụng chúng trong sản xuất nhiên liệu, phụ gia cho nhiên liệu sẽ có giá trị khoa học và thực tiễn cao

Trước đây, kể từ khi động cơ diesel được phát minh ra thì nhiên liệu mà người ta sử dụng đầu tiên chính là dầu thực vật Nhưng nguyên liệu dầu thực vật đã không được lựa chọn làm nhiên liệu cho động cơ diesel vì giá của dầu thực vật đắt hơn giá của diesel khoáng Gần đây, với sự tăng giá của nhiên liệu khoáng và sự hạn chế số lượng của nó, nên nhiên liệu dầu thực vật ngày càng được quan tâm và có khả năng thay thế cho nhiên liệu dầu khoáng trong tương lai gần, vì những lợi ích về môi trường và khả năng tái sinh của dầu thực vật

Dầu thực vật sử dụng cho quá trình tổng hợp biodiesel phải có chỉ số axit thấp hơn 0,5 mg KOH/g dầu Đối với dầu đã tinh chế thì có thể sử dụng ngay để tiến hành phản ứng Nhưng đối với dầu thực vật thô hay dầu thải có chỉ số axit cao và nhiều tạp chất hữu

cơ khác thì phải tiến hành tinh chế để loại bớt thành phần axit béo và các tạp chất bằng cách trung hòa bằng kiềm

Việc sử dụng dầu thực vật như một nhiên liệu thay thế để cạnh tranh với dầu mỏ đã được bắt đầu từ những năm 1980 Do những thuận lợi của các loại dầu thực vật so với nhiên liệu diesel là chúng có thể nuôi trồng, sẵn có, có khả năng tái sinh được, nhiệt trị tương đối cao, hàm lượng lưu huỳnh thấp hơn, hàm lượng chất thơm ít hơn, tuy nhiên khả năng dễ bị vi khuẩn phân hủy, độ nhớt cao hơn, khả năng bay hơi thấp hơn Vấn đề chính liên quan đến việc hạn chế sử dụng trực tiếp dầu thực vật là độ nhớt quá cao, do vậy cần phải có quá trình chế biến, tổng hợp Có thể tham khảo nguồn để sản xuất biodiesel trên thế giới như hình 1.1 [4]

Hình 1.1 Cơ cấu sản xuất biodiesel từ các loại dầu khác nhau

Dưới đây là một số dầu thực vật điển hình để tổng hợp biodiesel

Dầu đậu nành: Dầu đậu nành được sản xuất từ cây đậu tương, cây đậu tương

được trồng phổ biến nhiều nước trên thế giới, đặc biệt ở vùng đồng bằng nước ta Dầu đậu

nành tinh khiết có màu vàng sáng, thành phần axit béo chủ yếu của nó là linoleic (50% 57%), oleic (23% 29%) Dầu đậu nành được dùng nhiều trong thực phẩm Ngoài ra, dầu đậu nành đã được tinh luyện được dùng làm nguyên liệu để sản xuất margarin Từ dầu đậu nành còn được dùng để sản xuất sơn, vecni, xà phòng và đặc biệt là sản xuất biodiesel

Cây đậu tương được trồng phổ biến trên thế giới, đặc biệt ở vùng đồng bằng nước ta

Dầu dừa: Dừa là một loại cây nhiệt đới được trồng nhiều ở vùng Đông Nam Á,

Châu Phi, Châu Mỹ Latinh Ở Việt Nam, dừa được trồng nhiều ở Thanh Hóa, Nghĩa Bình, Phú Khánh, Nam Trung Bộ Dừa cây sinh trưởng lâu năm, thích hợp với khí hậu nóng

ẩm, có thể trồng được ở các nơi nước mặn, lợ, chua Trong dầu dừa có chứa các axit béo lauric (44% 52%), myristi (13% 19%), panmitic (7,5% 10,5%) Hàm lượng các chất béo không no rất ít Dầu dừa được sử dụng nhiều cho mục đích thực phẩm, có thể sản xuất

margarin và cũng là nguyên liệu tốt để sản xuất xà phòng và biodiesel

Dầu cọ: Cọ là cây nhiệt đới được trồng nhiều ở Chilê, Ghana, Tây Phi, một số

nước Châu Âu và một số nước Châu Á Từ cây cọ có thể sản xuất được hai loại dầu khác nhau: dầu nhân cọ và dầu cùi cọ Dầu nhân cọ có màu trắng còn dầu cùi cọ có màu vàng Thành phần axit béo của chúng cũng rất khác nhau Dầu cùi cọ là loại thực phẩm rất tốt dùng để ăn trực tiếp hoặc chế biến thành bơ, mỡ thực vật Dầu cùi cọ có chứa nhiều caroten nên được dùng để sản xuất chất tiền sinh tố A Dầu chất lượng xấu có thể dùng để sản xuất xà phòng hoặc dùng trong ngành luyện kim Dầu nhân cọ có công dụng trong ngành thực phẩm bánh kẹo và xà phòng Cả hai loại dầu này có thể làm nguyên liệu rất tốt

để sản xuất biodiesel

Dầu cao su: Dầu hạt cao su được ép từ hạt cây cao su Trong hạt hàm lượng dầu chiếm

khoảng 40 đến 60% Cây cao su được trồng nhiều nơi trên thế giới như Ấn Độ, Châu Phi, Nam Mỹ ở Việt Nam cây cao su được đưa vào thời Pháp thuộc và trồng nhiều ở các tỉnh miền Đông Nam Bộ Cây cao su sống thích hợp nhất ở những vùng đất đỏ So với các loại dầu khác thì dầu hạt cao su ít được sử dụng trong thực tế do hàm lượng axit béo rất lớn Vì vậy nếu sử dụng dầu hạt cao su làm nguyên liệu để sản xuất biodiesel thì hiệu quả kinh tế thu được

là cao nhất [4]

Hàm lượng axit béo của dầu hạt cao su cao hơn các loại dầu khác do trong hạt cao su có enzym lipaza tác dụng thủy phân glyxerit tạo axit béo Dầu sau khi được xử lý nhiệt thì chỉ số axit ổn định do không còn enzym lipaza nữa

Dầu sở: Cây sở là một loại cây lâu năm được trồng nhiều ở vùng nhiệt đới ở nước

ta, sở được trồng nhiều ở các tỉnh trung du phía Bắc Thành phần axit béo của dầu sở bao gồm axit oleic (>60%), axit linolinic (15% 24%) và axit panmitic (15% 26%) Dầu

sở sau khi tách saponin dùng làm dầu thực phẩm rất tốt Ngoài ra, dầu sở còn được dùng rộng rãi trong công nghiệp xà phòng, mỹ phẩm Dầu sở cũng có thể làm nguyên liệu để

sản xuất biodiesel

Dầu bông: Bông là loại cây trồng một năm Trong dầu bông có sắc tố carotenoit và

đặc biệt là gosipol và các dẫn xuất của nó làm cho dầu bông có màu đặc biệt: màu đen hoặc màu sẫm Gosipol là một độc tố mạnh Hiện nay dùng phương pháp tinh chế bằng kiềm hoặc axit antranilic có thể tách được gossipol chuyển thành dầu thực phẩm Do trong dầu bông có chứa nhiều axit béo no panmitic nên ở nhiệt độ thường nó đã ở thể rắn Bằng cách làm lạnh dầu người ta có thể tách được panmitic dùng để sản xuất margarin và xà

phòng Dầu bông cũng là nguyên liệu rất tốt để sản xuất biodiesel

Dầu hướng dương: Hướng dương là loại cây hoa một năm và hiện nay được trồng

nhiều ở xứ lạnh như Châu Âu, Châu Mỹ, Châu Á, và đặc biệt là Liên Xô cũ (chiếm 90% sản lượng của thế giới) Đây là loại cây có hàm lượng dầu cao và sản lượng lớn Dầu hướng

dương có mùi vị đặc trưng và có màu từ vàng sáng tới đỏ Dầu hướng dương chứa nhiều protein nên là sản phẩm rất quý nuôi dưỡng con người Ngoài ra, dầu hướng dương cũng là nguyên liệu rất tốt để sản xuất biodiesel

Dầu thầu dầu: Dầu thầu dầu hay còn gọi là dầu ve, được lấy từ hạt quả của cây thầu

dầu Cây thầu dầu được trồng nhiều ở vùng có khí hậu nhiệt đới Những nước sản xuất thầu dầu là Brazin (36%), Ấn Độ (6%), Trung Quốc, Liên Xô cũ, Thái Lan Cây thầu dầu

ở nước ta ở chủ yếu ở Thanh Hóa, Nghệ Tĩnh Tuy nhiên, hiện nay dầu thầu dầu ở Việt Nam vẫn phải nhập nhiều từ Trung Quốc Dầu thầu dầu là loại dầu không khô, chỉ số iot

từ 80 90, tỷ trọng lớn, tan trong ankan, không tan trong xăng và dầu hỏa Hơn nữa, do

độ nhớt cao của dầu thầu dầu so với các loại dầu khác nên ngay từ đầu đã được sử dụng trong công nghiệp dầu mỡ bôi trơn Hiện nay dầu thầu dầu vẫn là loại dầu nhờn cao cấp dùng trong động cơ máy bay, xe lửa, và các máy có tốc độ cao, cả trong dầu phanh Dầu thầu dầu được dùng trong nhiều lĩnh vực như y tế để làm thuốc tẩy, nhuận tràng, trong công nghiệp hương liệu và mỹ phẩm, trong công nghiệp chất dẻo, làm giấy than, giấy nến

và mực in Ngoài ra còn sử dụng trong công nghệ dệt nhuộm, thuộc da, công nghệ sơn và công nghiệp bôi trơn Đặc biệt là cũng có thể dùng để sản xuất biodiesel

Dầu lạc: Dầu lạc chứa chủ yếu axit oleic (50- 63%), linoleic (13- 33%), panmitic (6-

11%) Hàm lượng các axit béo khác không nhiều Dầu lạc chủ yếu dùng vào các mục đích thực phẩm, làm thức ăn gia súc Hiện nay nguồn dầu lạc cũng được sử dụng để tổng hợp biodiesel Cây lạc ở Việt Nam được trồng nhiều trên lưu vực các sông của đồng bằng Bắc

Bộ và Nam Bộ

Dầu ngô: Cây ngô được trồng trên khắp thế giới, nhất là các vùng đất phù sa Các

axit béo trong dầu ngô thường là: axit linoleic (43- 49%), oleic (37- 40%), axit panmitic

và stearic gần bằng 14%

Nói chung, các quá trình hóa học khi sản xuất và ứng dụng có khác biệt đối với từng loại dầu thực vật Nhưng hầu hết tất cả các loại dầu thực vật đều có thể là nguyên liệu để sản xuất biodiesel hoặc pha trộn với nhiên liệu diesel khoáng làm giảm đáng kể các khí độc hại trong khí thải như SOx, NOx, các hydrocacbon thơm, CO đồng thời có thể tiết kiệm đáng kể nhiên liệu khoáng Ở nước ta rất thích hợp với các loại cây lấy dầu, vốn đầu

tư lại ít nên việc trồng với một lượng lớn các cây dầu này sẽ là nguồn nguyên liệu tốt cho quá trình sản xuất biodiesel và rất có ý nghĩa về mặt bảo vệ môi trường

Ngoài nguyên liệu là dầu thực vật, để tổng hợp nhiên liệu biodiesel còn có thể sử dụng các nguồn khác, như:

Mỡ động vật: Đây là nguồn nguyên liệu lấy từ mỡ các con vật, ví dụ mỡ cá basa, cá

tra, mỡ bò, mỡ lợn, mỡ gà v.v Đối với nguyên liệu loại này, ngoài tác nhân trao đổi este

là methanol, có thể dùng tác nhân hỗn hợp là 65% methanol + 35% ethanol cũng thu được

độ nhớt cần thiết của biodiesel

Dầu phế thải của các nhà máy chế biến dầu, mỡ: Đây chính là dầu cặn của các nhà

máy chế biến thực phẩm, chúng có đặc điểm là đã qua gia nhiệt nhiều lần, có màu sẫm Kết quả phân tích loại này cho thấy ngoài lượng dầu mỡ còn có nhiều các chất khác kể cả các chất rắn, nguyên liệu này được xử lý trước tiên là lọc sau đó tách nước v.v…

Như vậy, nguồn nguyên liệu để sản xuất bio-diesel rất đa dạng và phong phú, dễ tái sinh, có thể phát triển, thay thế để cắt giảm lượng sử dụng nhiên liệu diesel khoáng

1.1.2.2 Tình hình sản xuất và sử dụng bio-diesel trên thế giới và Việt Nam

Bio-diesel là một dạng nhiên liệu sinh học được quan tâm nhiều hơn cả do xu hướng diesel hóa động cơ trên toàn cầu Hàng chục nước trên thế giới đã và đang nghiên cứu sản

xuất bio-diesel, nhiều hơn cả là các nước có nguồn dầu mỡ động thực vật dồi dào và cơ sở sản xuất hiện đại như Mỹ, Pháp, Đức, Thái Lan

Tình hình sản xuất và sử dụng nhiên liệu bio-diesel và nhiên liệu bio-diesel pha trộn với nhiên liệu khoáng trên thế giới

Tại Mỹ, lượng bio-diesel được tiêu thụ đạt trên 2 tỷ gallon mỗi năm [4] Mỹ đề ra đến 2020 sử dụng 20% nhiên liệu sinh học

Tại Áo, phải sử dụng nhiên liệu diesel khoáng pha 5% nhiên liệu sinh học [22] Tại Đức, bắt buộc phải sử dụng nhiên liệu diesel-B5 và đến cuối năm 2010 có khoảng 10% nhiên liệu sử dụng có nguồn gốc tái tạo [4]

Tại Pháp, đã có hàng vạn phương tiện tham gia giao thông sử dụng nhiên liệu diesel-B30 [4]

Tại Thái Lan, đã có chương trình sử dụng nhiên liệu diesel-B5 vào năm 2011 và diesel-B10 vào năm 2012 Chương trình sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học ở Thái Lan đang phát triển với tốc độ nhanh [4]

Tại Indonesia, phần lớn xe buýt và xe tải chạy bằng nhiên liệu diesel sinh học và đến cuối năm 2010 nhiên liệu sinh học đáp ứng khoảng 10% cho ngành điện và giao thông [9] Ngoài những nước như đã nói trên, còn nhiều nước khác đã nghiên cứu đưa ra chương trình sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học vào nước của họ Qua đó cho thấy, nhiên liệu sinh học được sản xuất và tiêu thụ trên thế giới ngày một gia tăng

Tình hình sản xuất và sử dụng nhiên liệu bio-diesel và nhiên liệu bio-diesel pha trộn với nhiên liệu khoáng ở Việt Nam

Ở Việt Nam, trước khi có Quyết định số 177/2007QĐ-TTg ngày 20/11/2007 của Chính phủ, một số cơ sở đã nghiên cứu sản xuất bio-diesel và thử nghiệm loại nhiên liệu này Chẳng hạn, ở đồng bằng Nam bộ, đã có doanh nghiệp sản xuất thành công bio-diesel

từ mỡ cá basa và cá tra Một số người dân đã tự ý sử dụng thử loại nhiên liệu này mặc dù chưa có qui định của Nhà nước

Sau khi có sự phê duyệt 177/2007QĐ-TTg của Chính phủ, các tổ chức trong nước đã tích cực đầu tư nghiên cứu, sản xuất thử, sản xuất ở qui mô công nghiệp và sẽ làm chủ công nghệ sản xuất bio-diesel từ các nguồn nguyên liệu sẵn có trong nước như trình bày dưới đây

Các thử nghiệm chiết xuất dầu diesel sinh học từ cây dầu mè của TS Thái Xuân Du,

từ cây diesel của TS Lê Võ Định Tường, từ mỡ cá basa của công ty AGIFISH gần đây đều cho kết quả khả quan [7]

Các nghiên cứu và sản xuất dầu diesel sinh học của Viện khoa học vật liệu ứng dụng

đã có nhiều thành công, hiện đã và đang chuyển giao công nghệ sản xuất cho nhiều doanh nghiệp [6]

Viện khoa học vật liệu ứng dụng đã chuyển giao công nghệ sản xuất biodiesel từ dầu

thực vật (chiết xuất biodiesel từ hơn mười loại dầu thực vật như dầu cọ, dầu cao su, dầu

lai, dầu gòn ) quy mô pilot có công suất 100 kg/ngày cho tập đoàn Trường Thịnh- một

đơn vị chuyên sản xuất biodiesel và trồng cây Jatropha tại tỉnh Bình Phước với tổng giá trị

300 triệu đồng đến thời điểm ngày 07/4/2009 Ngoài ra, Viện cũng vừa ký ghi nhớ với 2 tỉnh là Đà Nẵng và Bình Dương dự án sản xuất biodiesel có công suất 1 tấn/ ngày với tổng trị giá 4 tỷ đồng [6]

Bộ Công thương đã xây dựng đề án Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm

Nam sẽ đạt trình độ tiên tiến trên thế giới, với sản lượng đạt khoảng 500 triệu lít dầu diesel sinh học B10/năm [22]

1.1.2.3 Tính chất vật lý

Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ đông đặc: Vì các dầu khác nhau có thành phần

hóa học khác nhau cho nên chúng cũng có nhiệt độ đông đặc và nóng chảy khác nhau Các giá trị này không ổn định và thường trong một khoảng giá trị nào đó

Tính tan của dầu thực vật: Dầu không phân cực, do vậy chúng tan rất tốt trong

dung môi không phân cực, chúng tan rất ít trong rượu và không tan trong nước Độ tan của dầu trong dung môi phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ

Màu của dầu: Màu của dầu phụ thuộc vào thành phần hợp chất có trong dầu Dầu

tinh khiết không màu, dầu có mầu vàng là do các carotenoit và các dẫn xuất, dầu có mầu xanh là của clorophin

Khối lượng riêng: Khối lượng riêng của dầu thực vật thường nhẹ hơn nước, ở điều

kiện thường (20oC), = 0,907÷0,971 g/cm3, dầu có càng nhiều thành phần hydrocacbon

no thì tỷ trọng càng cao

1.1.2.4 Tính chất hóa học

Thành phần hóa học của dầu thực vật chủ yếu là este của axit béo với glyxerin Do vậy, chúng có đầy đủ tính chất của một este thể hiện qua các phản ứng sau đây

Phản ứng xà phòng hóa: Trong những điều kiện nhất định (nhiệt độ, áp suất, xúc tác

thích hợp) dầu có thể bị thủy phân:

C3H5(OCOR)3 + 3H2O → 3RCOOH + C3H5(OH)3

Phản ứng qua các giai đoạn trung gian tạo thành các diglyxerin và monoglyxerin Trong quá trình thủy phân, axit béo sẽ phản ứng với kiềm tạo thành xà phòng:

RCOOH + NaOH → RCOONa + C3H5(OH) Đây là phản ứng cơ bản trong quá trình sản xuất xà phòng và glyxerin từ dầu thực vật

Phản ứng cộng hợp: Trong điều kiện thích hợp, các axit béo không no sẽ cộng hợp

C3H5(OCOR)3 + 3CH3OH → 3RCOOCH3 + C3H5(OH)3 Phản ứng này có ý nghĩa thực tế rất quan trọng vì người ta có thể sử dụng các alkyl este béo làm nhiên liệu do giảm một cách đáng kể lượng khí thải độc hại ra môi trường Đồng thời, cũng thu được một lượng glyxerin sử dụng trong các ngành công nghiệp mỹ phẩm, hàng tiêu dùng, sản xuất nitro glyxerin làm thuốc nổ

Phản ứng oxy hóa: Dầu thực vật có chứa nhiều loại axits béo không no dễ bị oxy

hóa, thường xảy ra ở nối đôi mạch cacbon Tùy thuộc vào bản chất của chất oxy hóa và điều kiện phản ứng mà tạo ra các chất oxy hóa không hoàn toàn như peroxyt, xetoaxit, hoặc các sản phẩm đứt mạch có phân tử lượng bé Dầu thực vật tiếp xúc với không khí có thể xảy ra quá trình oxy hóa làm biến chất dầu mỡ

Phản ứng trùng hợp: Dầu mỡ có nhiều axit không no dễ xảy ra phản ứng trùng hợp

tạo ra các hợp chất cao phân tử

Sự ôi chua của dầu mỡ: Do trong dầu có chứa nước, vi sinh vật, các men thủy phân

nên trong quá trình bảo quản thường phát sinh những biến đổi làm ảnh hưởng tới màu sắc, mùi vị Đây là quá trình ôi chua của dầu mỡ

1.1.2.5 Các đặc điểm khác của biodiesel

Trị số xetan cao: Trị số xetan là một đơn vị đo khả năng tự bắt cháy của nhiên liệu

diesel Trị số xetan của diesel càng cao thì sự mồi lửa và cháy càng tốt, động cơ làm việc ổn định hơn Nhiên liệu diesel thông thường có trị số xetan từ 50 đến 52 và 53 đến 54 đối với động cơ cao tốc Biodiesel là các alkyl este mạch thẳng do vậy nhiên liệu này có trị số xetan cao hơn diesel khoáng, trị số xetan của biodiesel thường từ 56 đến 58 Với trị số xetan như vậy, biodiesel hoàn toàn có thể đáp ứng dễ dàng yêu cầu của những động cơ đòi hỏi nhiên liệu chất lượng cao với khả năng tự bắt cháy cao mà không cần phụ gia tăng trị số xetan

Hàm lượng lưu huỳnh thấp: Trong biodiesel hàm lượng lưu huỳnh rất thấp, khoảng

0,001% Đặc tính này của biodiesel rất tốt cho quá trình sử dụng làm nhiên liệu, vì nó làm giảm đáng kể khí thải SOx gây ăn mòn thiết bị và gây ô nhiễm môi trường

Quá trình cháy sạch : Do nhiên liệu biodiesel chứa khoảng 11% oxy nên quá trình

cháy nhiên liệu xảy ra hoàn toàn Vì vậy với những động cơ sử dụng nhiên liệu biodiesel thì sư tạo muội, đóng cặn trong động cơ giảm đáng kể

Khả năng bôi trơn cao nên giảm mài mòn: Biodiesel có khả năng bôi trơn bên

trong rất tốt, các cuộc kiểm tra đã chỉ ra rằng, biodiesel có khả năng bôi trơn tốt hơn diesel khoáng Khả năng bôi trơn của nhiên liệu được đặc trưng bởi giá trị HFRR (high-frequency receiprocating rig), nói chung giá trị HFRR đạt 500 khi không có phụ gia, nhưng giới hạn đặc trưng của diesel là 450 Vì vậy diesel khoáng yêu cầu phải có phụ gia

để tăng cường khả năng bôi trơn Ngược lại giá trị HFRR của biodiesel khoảng 500 Vì vậy, biodiesel còn như là một phụ gia tốt đối với nhiên liệu diesel thông thường Khi thêm vào một tỷ lệ thích hợp biodiesel, sự mài mòn của động cơ được giảm mạnh Thực nghiệm

đã chứng minh sau khoảng 15.000 giờ làm việc vẫn không nhận thấy mài mòn [2]

Tính ổn định của biodiesel: biodiesel có khả năng phân huỷ rất nhanh (phân huỷ

đến 98% trong 21 ngày) đây chính là ưu điểm lớn về mặt môi trường Do biodiesel kém

ổn định nên cần có sự chú ý đặc biệt về quá trình bảo quản [4]

Giảm lượng khí thải độc hại và nguy cơ mắc bệnh ung thư: Theo các nghiên cứu

của Bộ năng lượng Mỹ đã hoàn thành ở một trường đại học ở California, sử dụng biodiesel tinh khiết thay cho diesel khoáng có thể giảm 93,6% nguy cơ mắc bệnh ung thư từ khí thải của động cơ, do biodiesel chứa ít các hợp chất thơm, chứa rất ít lưu huỳnh, quá trình cháy

triệt để hơn nên giảm được nhiều thành phần hydrocacbon trong khí thải

An toàn về cháy nổ tốt hơn: Biodiesel có nhiệt độ chớp cháy cao, trên 110o

C, cao hơn nhiều so với diesel khoáng (khoảng 60oC), vì vậy tính chất nguy hiểm của nó thấp hơn, an toàn hơn trong tồn chứa và vận chuyển

Nguồn nhiên liệu cho tổng hợp hoá học: Ngoài việc được sử dụng làm nhiên liệu,

các ankyl este axit béo còn là nguồn nguyên liệu quan trọng cho ngành công nghệ hoá học, sản xuất các rượu béo, ứng dụng trong dược phẩm và mỹ phẩm, các ankanolamin, isopropylic

este, các polyeste được ứng dụng như chất nhựa, chất hoạt động bề mặt

Có khả năng nuôi trồng được: Tạo nguồn năng lượng độc lập với dầu mỏ, không làm

suy yếu các nguồn năng lượng tự nhiên, không gây ảnh hưởng tới sức khoẻ con người và môi trường

1.1.3 Xăng sinh học

1.1.3.1 Khái niệm và nguồn nguyên liệu để sản xuất

Ethanol là một hợp chất hữu cơ nằm trong dãy đồng đẳng của rượu metylic, dễ cháy, không màu, là một trong các thành phần của đồ uống chứa cồn Trong đời sống, nó thường được gọi vắn tắt là rượu Công thức hóa học C2H5OH, viết tắt là C2H6O

Ethanol dễ dàng hòa tan vào nước theo mọi tỷ lệ, với sự giảm nhẹ tổng thể về thể tích khi hai chất này được trộn lẫn với nhau Ethanol tinh khiết là dung môi tốt, sử dụng trong các loại nước hoa, sơn và cồn thuốc Các tỷ lệ khác của ethanol với nước cũng có thể làm dung môi Các loại đồ uống chứa cồn có hương vị khác nhau do có các chất tạo mùi khác nhau được hòa tan trong nó trong quá trình ủ và nấu rượu

Ethanol có thể sử dụng trong các sản phẩm chống đông lạnh vì điểm đóng băng thấp của nó

Ethanol có thể sử dụng làm nguyên liệu trong công nghệ hóa học, nguyên liệu cho tổng hợp hữu cơ hóa dầu

Ngày nay, ethanol được sử dụng rộng rãi để pha vào xăng tạo nhiên liệu sinh học thân thiện với môi trường

Nguyên liệu sản xuất ethanol thích hợp nhất là đường (từ củ cải đường, mía), rỉ đường và cây lúa miến ngọt, tinh bột (khoai tây, các loại hạt lúa, lúa mỳ, ngô, đại mạch) Năng suất ethanol trung bình dao động từ 2.100 đến 5.600 lít/ ha đất trồng trọt tùy thuộc vào từng loại cây trồng Đối với các loại hạt, năng suất ethanol thu được vào khoảng 2.800 lít/ha, tức là vào khoảng 3 tấn nguyên liệu hạt sẽ thu được 1 tấn ethanol

Ngoài ra, ethanol sinh học được sản xuất từ nguồn nguyên liệu xenlulo (gỗ) Các loại cây trồng quay vòng ngắn (liễu, bạch dương, bạch đàn), các chất thải nông nghiệp (rơm, bã mía), các phế thải của công nghiệp gỗ, gỗ thải đều thích hợp để làm nguyên liệu sản xuất ethanol

Cứ khoảng 2 - 4 tấn vật liệu gỗ khô hoặc cỏ khô đã có thể cho 1 tấn ethanol Nguyên nhân khiến người ta chuyển sang sản xuất ethanol từ sinh khối xenlulo (gỗ, thân thảo) là vì các loại này sẵn có và rẻ tiền hơn so với các loại tinh bột ngũ cốc hoặc cây trồng khác, đặc biệt là với những nguồn chất thải hầu như không có giá trị kinh tế thì vấn đề càng có ý nghĩa, tuy nhiên quá trình chuyển hóa các vật liệu này sẽ khó khăn hơn

1.1.3.2 Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol trên thế giới và Việt Nam

Trên thế giới, các nước sản xuất ethanol từ các nguồn nguyên liệu khác nhau Nước sản xuất ethanol sinh học nhiều bậc nhất thế giới là Brazin Brazin sản xuất mỗi năm 14 tỷ lít cồn từ cây mía Chương trình sản xuất này tạo việc làm cho 1 triệu người và tiết kiệm được 60 tỷ USD tiền nhập xăng dầu trong 3 thập kỷ qua Số tiền này lớn gấp 10 lần chi cho chương trình trên và gấp 50 lần số tiền trợ cấp ban đầu Từ năm 1985 sản lượng ethanol nhiên liệu đạt bình quân 10 triệu tấn/năm Năm 2005 có 70% số ôtô đã sử dụng nhiên liệu sinh học Hiện nay, toàn bộ xăng chạy ôtô của Brazin đều pha 20-25% ethanol sinh học Brazin có thể sản xuất lượng ethanol thay thế 10% nhu cầu xăng dầu của thế giới trong

vòng 20 năm tới với lượng xuất khẩu khoảng 200 tỷ lít, so với mức 30 tỷ lít hiện nay Luật pháp Brazin quy định tất cả các loại xe sử dụng xăng pha 22% ethanol và nước này đã có 20% số lượng xe chỉ sử dụng ethanol 100% [4] Cho đến năm 2012 Brazin đã đưa vào hoạt động trên 70 nhà máy chuyên sản xuất ethanol

Trong khối EU, nhiên liệu sinh học là một ưu tiên trong chính sách môi trường và giao thông Theo ước tính của các nhà kinh tế sử dụng nhiên liệu sinh học, hàng năm có thể tiết kiệm được 120 triệu thùng dầu thô vào thời điểm năm 2012 Từ đầu năm 2004 các trạm xăng Aral và Shell ở Đức bắt đầu thực hiện chỉ thị 2003/30/EU mà theo đó từ 31/12/2005 ít nhất 2% và từ 31/12/2010 ít nhất 5,75% nhiên liệu dùng cho giao thông vận tải phải có nguồn gốc tái tạo EU còn quy định các nước thành viên phải sử dụng ít nhất 10% nhiên liệu sinh học từ nay đến 2020

Mỹ đề ra đến 2020 sử dụng 20% nhiên liệu sinh học trong giao thông, Iowa là bang sản xuất ethanol cho nhiên liệu ôtô với sản lượng lớn nhất

Indonesia đã trợ cấp khoảng 7 tỷ USD cho năng lượng Nước này đặt mục tiêu đến năm 2020 nhiên liệu sinh học đáp ứng trên 10% nhu cầu cho ngành điện và giao thông Tại Trung Quốc, các tỉnh Hà Nam, An Huy, Cát Lâm, Hắc Long Giang… đã sản xuất ethanol từ lương thực tồn kho với sản lượng hàng năm 1,02 triệu tấn/năm Riêng tỉnh Hắc Long Giang sản xuất ethanol năng lượng sản xuất 5000 tấn/năm Nước này đang nghiên cứu công nghệ sản xuất ethanol từ xenlulo và hiện đã có cơ sở đạt 600 tấn /năm Năm

2010 sản lượng nhiên liệu sinh học của Trung Quốc khoảng 6 triệu tấn Theo kế hoạch, đến năm 2020 là 19 triệu tấn trong đó ethanol là 10 triệu [4]

Tại Việt Nam đang hướng đến việc sử dụng nguyên liệu chính là sắn, ngô và mía đường và tận dụng các phế phẩm thừa trong nông nghiệp để sản xuất ethanol Vấn đề nghiên cứu ứng dụng ethanol cũng đã được phát triển từ khoảng 10 năm qua Trong vài năm trở lại đây, chúng ta đã tiến hành xây dựng một số nhà máy sản xuất cồn 99,95% tại Vĩnh Phúc, Quảng Ngãi… Nghiên cứu và sản xuất nhiên liệu sạch đã được Petrolimex, Petro VietNam triển khai và đã có những kết quả, một số ví dụ cụ thể như:

Đại học Bách khoa Tp.HCM đã pha chế, thử nghiệm để chứng minh ethanol có thể thay thế xăng dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong [8]

Tại Phú Thọ, Công ty cổ phần Hóa dầu và Nhiên liệu Sinh học Dầu khí (PVB) đã xây dựng dự án nhà máy sản xuất cồn nhiên liệu sinh học (bio-ethanol) đầu tiên ở khu vực phía Bắc Nhà máy, có tổng vốn đầu tư 80 triệu USD, là dự án có công nghệ tiên tiến với công suất 100.000 m3 ethanol / năm sử dụng nguyên liệu chính là sắn và mía đường [9]

Viện Công nghệ thực phẩm đã và đang nghiên cứu sản xuất ethanol từ phế thải nông nghiệp Nhiều đơn vị trong đó có APP, Sài Gòn Petro, Công ty Mía đường Lam Sơn đã lên

kế hoạch pha chế thử nghiệm và tiến tới sản xuất ở quy mô phù hợp và đưa vào sử dụng [8] Tháng 9 năm 2008, Hà Nội đã thí điểm cho xe taxi chạy xăng ethanol

Điều đó chứng tỏ nước ta đã thực sự coi đưa ethanol trở thành một mặt hàng chiến lược

Bảng 1.1 Tính chất của ethanol

1 Công thức phân tử C2H5OH hay C2H6O

13 Tác động cấp tính Gây nôn mửa, trầm cảm, nặng thì ngừng thở

C (7970F)

1.1.3.4 Tính chất hóa học

Tính chất của một rượu đơn chức

- Phản ứng thế với kim loại kiềm:

2C2H5OH + 2Na 2C2H5ONa + H2

- Phản ứng este hóa:

C2H5OH + CH3COOH CH3COOC2H5 + H2O

- Phản ứng loại nước:

+ Tách nước tạo olefin: C2H5OH C2H4 + H2O

+ Tách nước tạo ete: 2C2H5OH C2H5 -O-C2H5 + H2O

- Phản ứng oxy hóa:

Phản ứng oxy hóa có thể xảy ra theo các mức khác nhau: oxy hóa không hoàn toàn tạo

ra aldehit, axit hữu cơ và oxy hóa hoàn toàn tạo CO2 và H2O:

CH3 –CH2 –OH + CuO CH3 –CHO + Cu + H2O

Có thể oxy hóa bằng oxy không khí có xúc tác sẽ tạo axit hữu cơ:

2C2H5OH CH2 = CH-CH = CH2 + 2H2O + H2

Phản ứng lên men giấm

Oxy hóa rượu etylic có nồng độ 10% bằng oxy không khí có mặt men giấm ở khoảng 250C sẽ tạo thành giấm ăn:

CH3 –CH2 –OH + O2 CH3COOH + H2O

1.1.3.5 Các đặc điểm khác của ethanol

Ethanol là chất dễ cháy và dễ dàng bắt lửa nên cần thiết phải có các biện pháp bảo

vệ an toàn

Ethanol trong cơ thể con người được chuyển hóa thành axetaldehit do enzym alcohol dehydrogeas phân hủy rượu và sau đó thành axit axetic bởi enzym axetaldehit dehydrogenas phân hủy axetaldehit Aldehit này là nguy cơ của bệnh xơ gan, nhiều dạng ung thư và chứng nghiện Nếu nồng độ ethanol trong máu cao (đạt 0,3 0,4%) có thể gây hôn mê, nếu đạt tới 0,5% hoặc cao hơn có thể gây tử vong Người ta cũng chỉ ra mối liên quan tỷ lệ thuận giữa ethanol và sự phát triển của vi khuẩn gây ra viêm phổi, viêm màng não và các viêm nhiễm hệ bài tiết Sự phát triển hiện nay là trái ngược với sự nhầm lẫn phổ biến cho rằng uống rượu có thể giết chết nhiều loại vi khuẩn gây các bệnh truyền nhiễm

1.2 Phụ gia cho nhiên liệu động cơ đốt trong

Một trong các hướng nâng cao chất lượng sử dụng nhiện liệu cho động cơ đốt trong

là phải tìm gia các loại phụ gia phù hợp để thúc đẩy quá trình cháy tốt hơn, hoàn toàn hơn cho nhiên liệu, cải thiện công suất, tiết kiệm nhiên liệu, an toàn cho người, cho môi trường

và bảo vệ động cơ Do vậy phụ gia rất quan trọng đối với nhiên liệu vì quyết định tới đặc tính nhiên liệu, tính kinh tế, kỹ thuật và tuổi thọ của động cơ…

Phụ gia là những chất cho thêm vào nhiên liệu với một lượng nhỏ, nhưng lại làm tăng tính chất sẵn có và có thể tạo ra những tính chất mới cho sản phẩm Phụ gia có thể pha vào nhiên liệu từ vài ppm đến trên 10% Mỗi loại phụ gia có tính năng khác nhau, nhưng cùng cần có những yêu cầu sau: phải tan trong nhiên liệu, phải tăng được các tính năng cần thiết, phải có tính tương hợp với các loại phụ gia khác và với các cấu tử trong sản phẩm, phải có

độ bay hơi thấp, với hàm lượng nhỏ nhưng hiệu quả phải cao, không làm thay đổi tính chất hoá lý của nhiên liệu, không độc hại với người sử dụng vì môi trường, rẻ tiền và dễ kiếm

1.2.1 Phụ gia cho nhiên liệu hóa thạch

Các chất phụ gia đưa vào nhiên liệu hóa thạch có thể xếp thành các nhóm sau :

- Nhóm phụ gia cải thiện tính chất của nhiên liệu: các phụ gia này thường được sử dụng cho xăng máy bay, xăng ôtô, nhiên liệu phản lực và nhiên liệu diesel Đó là các phụ gia làm tăng tính chất cháy của nhiên liệu, làm cho nhiên liệu cháy hoàn toàn hơn và giảm thiểu các khí thải độc hại sinh ra khi cháy

- Nhóm phụ gia cải thiện tính ổn định khi bảo quản, tồn chứa, vận chuyển: điển hình

là các phụ gia chống ôxy hoá (các ankyl, amin, phenol, các dẫn xuất cơ kim); các phụ gia làm thụ động kim loại; các chất phụ gia làm ổn định độ phân tán, tăng độ tẩy rửa

- Nhóm phụ gia làm giảm ảnh hưởng có hại của nhiên liệu đối với thiết bị động cơ:

đó là phụ gia chống ăn mòn, phụ gia nhằm giảm tạo muội, phụ gia có tính tẩy rửa hệ thống nhiên liệu (thường dùng với nhiên liệu DO)

- Nhóm phụ gia đảm bảo sử dụng nhiên liệu dùng ở nhiệt độ thấp: nhóm này gồm naphten, parafin clo hoá Các phụ gia này có tính chất làm giảm nhiệt độ kết tinh của nhiên

liệu, phụ gia chống sự bay hơi của xăng, phụ gia chống kết tinh của nhiên liệu ở nhiệt độ thấp

- Nhóm phụ gia khác: như phụ gia chống tích điện, phụ gia chống vi sinh vật, phụ gia tạo màu (thường sử dụng để đánh dấu nhằm quản lý chất lượng của sản phẩm) Đặc biệt có phụ gia tạo mùi, giúp cho con người có thể phát hiện được sự rò rỉ của sản phẩm mà phòng ngừa

1.2.1.1 Phụ gia cho nhiên liệu xăng

a Nhóm phụ gia tăng trị số octan

Trong các phụ gia của xăng thì các phụ gia chống kích nổ là quan trọng nhất Trước đây, trên thế giới người ta thường dùng các hợp chất có chì như tetraetyl chì, tetrametyl chì hay hỗn hợp etylmetyl chì và nhiều hợp chất cơ kim khác Do tính độc hại của các khí thải động cơ chứa chì nên hiện nay xăng pha chì hầu như không được sử dụng Các phụ gia dùng làm tăng chỉ số octan của xăng không chì là:

- Methanol (CH3OH)

- Ethanol (C2H5OH)

- Tertiary-butyl alcohol ((CH3)3C-OH)

- Metyl tertiary-butyl ether (MTBE)

- Tertiary-Amyl Metyl ether (TAME)

Ngoài việc làm tăng trị số octan, các phụ gia này chứa oxi nên còn có tác dụng giảm thiểu sự phát thải hydrocacbon và CO, giúp cho quá trình cháy được xảy ra hoàn toàn

b Nhóm phụ gia khác

- Phụ gia làm sạch bộ chế hòa khí: phụ gia này có tác dụng ngăn cản sự đóng băng và làm sạch chế hòa khí Thường là các hợp chất amin, với hàm lượng sử dụng khoảng 50 ppm

- Phụ gia chống tạo cặn trong buồng đốt:phụ gia này tẩy sạch đồng thời ngăn cản sự hình thành cặn buồng đốt, giúp đáp ứng tiêu chuẩn khí thải môi trường, trong khi vẫn năng cao được hiệu quả công suất của động cơ Các phụ gia này thường là các hợp chất amin, với hàm lượng sử dụng khoảng 50 ppm

- Phụ gia chống ăn mòn xupap: sự ăn mòn xupap phụ thuộc vào tốc độ và tải trọng động cơ, tốc độ càng cao, tải trọng càng lớn thì hiện tượng ăn mòn càng tăng Để bảo vệ động cơ, ngăn chặn hiện tượng ăn mòn các nhà khoa học đã đưa ra các loại phụ gia sau: + Phụ gia photpho (tên thương mại là ICA): sử dụng hiệu quả như một chất bôi trơn, làm giảm đáng kể sự ăn mòn xupap với lượng pha 0,018g/l

+ Phụ gia mangan (MMT: Metylxyclopentadien mangan tricacbonyl): phụ gia này ngoài tăng trị số octan còn có tác dụng làm giảm ăn mòn xupap Khi cháy tạo ra một lớp oxit mangan mỏng phủ lên xupap, giúp cho sự ăn mòn, mài mòn giảm đi

1.2.1.2 Phụ gia cho nhiên liệu diesel

Để tăng cường thêm chất lượng của nhiên liệu diesel, người ta thường pha chế thêm các phụ gia như: phụ gia tăng trị số xetan, phụ gia chống tạo cặn, phụ gia giảm khói thải đen, phụ gia tẩy rửa…

Để nâng cao trị số xetan người ta thêm vào các chất thúc đẩy quá trình ôxy hoá như : isopropyl nitrat, n-butyl nitrat, amyl nitrat… với lượng 1,5% thể tích, khi đó làm tăng trị số xetan lên từ 15 đến 20 đơn vị [4]

Để giảm khói đen, giảm ô nhiễm môi trường, tăng tuổi thọ động cơ người ta đưa thêm vào nhiên liệu các chất chứa ôxy nhằm tăng cường quá trình cháy hoàn toàn của nhiên liệu Gần đây người ta tìm ra và cho thêm biodiesel vào nhiên liệu diesel khoáng với hàm lượng pha chế 5%, 10%, 15% và 20% đã làm giảm đáng kể tất cả các khí độc hại trong khí thải như CO, CO2, NOx và hydrocacbon chưa cháy hết Phụ gia DME (dimetyl ete) cũng là một phụ gia thân thiện môi trường, nó không chỉ làm giảm các chất độc hại mà còn làm tăng chỉ số xetan cho nhiên liệu Ngoài ra còn nhiều phụ gia khác làm tăng chất lượng cho nhiên liệu DO như phụ gia chống oxy hóa, phụ gia giảm nhiệt độ đông đặc, phụ gia chống ăn mòn

1.2.1.3 Phụ gia nano

Phụ gia nhiên liệu nano là một “chất nhũ tương” dùng cả cho động cơ xăng và diesel

được điều chế theo công nghệ cao nano, bằng kỹ thuật “vi nhũ hóa” cấp độ nanomét và pha trộn vào xăng dầu, để tạo ra nhiên liệu “nano nhũ hóa”

Về mặt nguyên lý tác dụng, phụ gia nhiên liệu nano sau khi pha trộn vào nhiên liệu,

nó sẽ nhanh chóng được khuếch tán thành những “giọt nước siêu nhỏ” cỡ 6 nanomet thông qua chuyển động nhiệt Brown, các giọt nước siêu nhỏ này sẽ phân tán đồng đều trong lòng khối chất lỏng nhiên liệu Với kỹ thuật cơ-điện tử (bộ đôi kim phun cao áp…), nhiên liệu được phun vào buồng cháy động cơ, thành các hạt sương nhiên liệu có kích thước chỉ đạt

cỡ 60÷100μm, lúc này mỗi giọt sương nhiên liệu đã chứa ở trong nó cả vạn giọt nước phụ gia nano Dưới tác dụng của lực nén và nhiệt độ cao trong buồng cháy, các hạt nước nano

sẽ vượt qua nhiệt độ sôi, chúng sẽ bốc hơi, phát nổ, làm vỡ vụn các hạt sương nhiên liệu

Nhiên liệu lúc này được hóa sương lần hai với kích cỡ “siêu nhỏ” nanomét Thông qua việc “hóa sương lần hai” và qua “hàng triệu vụ nổ nhỏ” trong buồng cháy, công suất của động cơ được nâng cao, hệ thống buồng cháy được làm sạch, chống bám dính phụ phẩm cháy, tỏa nhiệt tốt hơn nhiều, nhiên liệu được đốt cháy triệt để, tiết kiệm nhiên liệu

rõ rệt, giảm ô nhiễm, tăng tuổi thọ động cơ, giảm chi phí sửa chữa thường xuyên…

Phụ gia nano có những ưu điểm sau đây:

- Nâng cao tính năng chống nổ, hạ thấp yêu cầu của động cơ về trị số octane Đối với

loại xe chạy xăng, căn cứ vào quy phạm đo kiểm (CRC – Cyclic Redundancy Check) 15-92 để chứng minh rằng nếu sử dụng chất phụ gia nano thì có khả năng giảm thấp ngay lập tức 4 điểm yêu cầu của động cơ đối với trị số octane, đồng thời muội than đọng trong buồng đốt được tẩy rửa sạch thì động cơ còn có thể hạ thấp thêm được 2 điểm trị số octane, làm cho xăng có mã hiệu thấp vẫn thể hiện được những ưu điểm ngang bằng hoặc thậm chí tốt hơn cả xăng có mã hiệu cao

E Nâng cao tính năng động lực, sau khi cho chất phụ gia nano vào trong nhiên liệu thì

nó sẽ nhanh chóng khuếch tán và tạo thành dạng hạt nước hình cầu kích cỡ 6 nanomét Những hạt này có thể cùng xảy ra bốc hơi và nổ với quá trình hoạt động của động cơ nhờ

đó làm vỡ tan những giọt sương nhiên liệu, lần hóa sương thứ hai trở thành hạt dầu cấp độ nanomét, làm cho hoàn toàn trộn với không khí giúp cháy kiệt Nhờ vậy nâng cao đáng kể tính năng động lực Theo quy phạm đo kiểm, sản phẩm này có thể nâng cao đến 20 – 28% tính năng động lực

- Tiết kiệm nhiên liệu, chất phụ gia nano có khả năng tiết kiệm dầu 10% trở lên nhờ

nhiên liệu được hóa sương triệt để, gây tác dụng nâng cao hoạt tính vật lí, hiệu suất dầu đốt

được tăng cường rõ rệt làm cho năng lượng của nhiên liệu giải phóng ra theo đơn vị được tăng cao, tăng được công suất động cơ

- Giảm thiểu khí thải, những chất ô nhiễm gây hại do xe chạy xăng thải ra chủ yếu

bao gồm hydrocarbon, oxitcacbon, oxit nitơ Những chất ô nhiễm do xe chạy dầu diesel thải ra chủ yếu là PM và oxit nitơ NOx Phụ gia nano làm giảm thiểu cho tất cả lượng phát thải trên

- Cải thiện tính năng động cơ, nhờ có công năng độc đáo là loại trừ được hiện tượng

sai lệch mang tính chu kì khi đốt cháy nên sản phẩm này giúp quá trình cháy êm, giảm rung lắc và tiếng ồn Hiện tượng nổ nhỏ diễn ra trước khi cháy còn có khả năng làm cho than đọng trong buồng đốt bị đánh tơi và tan ra Sau đó, nhờ tác động của phản ứng giữa nước và monoxit carbon làm cho nó bị cháy thêm để tạo thành cácbonic và nước thải ra ngoài, tạo cho động cơ một môi trường vận hành lí tưởng, do đó kéo dài tuổi thọ của động

cơ, giảm số lần sửa chữa cũng như chi phí sửa chữa đồng thời nâng cao công suất ở tốc độ vòng quay nhỏ và tăng thêm sức mạnh cho động cơ khi tăng tốc

- Giảm ăn mòn động cơ, từng hạt nước bé li ti trong chất phụ gia nano đều bị bao bọc

bởi màng môi chất có cường độ rất cao Chính màng mỏng này ngăn cách giữa hạt nước với nhiên liệu sự tiếp xúc với bề mặt xilanh và bề mặt đường dẫn dầu, hoàn toàn không có

cơ hội để chất phụ gia được chứa nước ở dạng “tự do” Nói cách khác, không thể xảy ra hiện tượng ăn mòn hoặc phá hủy màng bôi trơn Như vậy, chất phụ gia nano không ăn mòn đối với động cơ, mà ngược lại nó còn giảm thiểu được hiện tượng ăn mòn của nước hòa tan trong dầu đốt đối với động cơ

a Phụ gia cho xăng

Phụ gia chì: Bao gồm chất tetrametyl chì Pb(CH3)4 (TML)và tetraetyl chì Pb(C2H5)4

(TEL) có tác dụng phá hủy hợp chất trung gian hoạt động (peroxit, hidro peroxit) dó đó

làm tăng trị số octan của xăng lên và giảm khả năng cháy kích nổ Cho đến nay chưa có bất

kỳ phụ gia nào làm tăng mạnh trị số octan như phụ gia chì (với hàm lượng từ 0,1 đến 0,15g/l xăng có thể làm tăng từ 6-12 đơn vị octan) [4], tuy nhiên do tính chất độc hại của loại phụ gia này mà ngày nay trên thế giới hầu như không sử dụng nữa Ở Việt Nam từ tháng 7 năm 2001 đã quyết định sử dụng xăng không chì

Methanol: Methanol (methyl alcohol-CH3OH) là một chất lỏng không màu ở nhiệt

độ thường với mùi alcohol nhẹ đặc trưng và có thể được sử dụng như một phụ gia để pha vào xăng nhằm tăng trị số octan Phụ gia này còn có ưu điểm là rẻ tiền, dễ kiếm Tuy nhiên phụ gia này có nhược điểm là tan vô hạn trong nước nên có tính hút ẩm mạnh, do đó nhiên liệu có methanol để một thời gian sẽ bị đọng nước và tất nhiên khi dùng cho động cơ sẽ có hại [4]

Ethanol: Ethanol (C2H5OH) là loại nhiên liệu dạng cồn, có chỉ số octan rất cao 120 đến 135, có thể được sản xuất bằng phương pháp lên men và chưng cất các loại ngũ cốc chứa tinh bột như ngô, lúa mì, lúa mạch… để chuyển hóa thành đường đơn Ngoài ra, ethanol còn được sản xuất từ cây, cỏ có chứa cellulose Ethanol có nhược điểm là hút ẩm nhiều lằm tăng nguy cơ thâm nhập của nước vào xăng [4]

MTBE: là một chất dễ bay hơi, dễ cháy và là chất lỏng không màu, không trộn lẫn

được với nước MTBE là một phụ gia dùng cho nhiên liệu xăng, được sử dụng như một chất ôxy hóa và để làm tăng trị số octan cho xăng, trị số octan 115 đến 123 Việc tăng hàm lượng MTBE trong xăng dẫn tới thay đổ áp suất hơi bão hòa, thành phần phân cất phân đoạn nhiên liệu nên không nên sử dụng lớn hơn 15% [4]

Ở Mỹ, MTBE đã được sử dụng trong xăng ở mức độ thấp từ năm 1979 để thay thế cho tetra-ethyl chì và để làm tăng chỉ số ốctan giúp ngăn ngừa động cơ khỏi sự kích nổ Trên thế giới đã có nhiều nhà máy sản xuất nhưng giá thành còn cao

TAME: là một ete và được sử dụng như một phụ gia ôxy hóa cho xăng Nó được

thêm vào xăng vì ba lý do: thứ nhất là để làm tăng trị số octan của xăng, thứ hai là để thay thế tetraethyl chì và lý do cuối cùng là làm tăng hàm lượng ôxy trong xăng Phụ gia TAME pha vào trong nhiên liệu có tác dụng giảm khí thải độc hại như những hợp chất hữu cơ dễ bay hơi

MMT: Phụ gia MMT có công thức là (CH3C5H4)Mn(CO)3 Phụ gia MMT bắt đầu được đưa ra thị trường vào năm 1958, nó có vai trò như một phần bổ sung với phụ gia tetraethyl chì để làm tăng chỉ số ốctan của nhiên liệu, về sau thì MMT được sử dụng trong xăng không chì

Phụ gia này có nhiều ưu điểm như:

- Sử dụng với hàm lượng thấp, 8 đến 18 mg Mn/l

- Thích hợp với mọi vật liệu chế tạo động cơ

- Ngăn chặn được sự mất mát nhiệt do sự cháy sớm

- Không ăn mòn thiết bị

- Không ảnh hưởng đến bộ chuyển đổi xúc tác

- Rẻ hơn loại phụ gia khác

- Giảm thiểu khí thải độc hại

Với ưu việt kể trên, phụ gia MMT đang được sử dụng rộng rãi tại Canada, Mỹ Latinh, Châu Âu [4]

Phụ gia ức chế ăn mòn: là một hợp chất hóa học được thêm vào nhiên liệu để giảm

sự ăn mòn kim loại hoặc hợp kim Các phụ gia ức chế ăn mòn được sử dụng cho nhiên liệu xăng gồm có: DCI-4A, DCI-6A, DCI-11, DCI-28, DCI-30 và DMA-4 [10]

b Phụ gia cho nhiên liệu diesel

2-Ethylhexyl Nitrate (EHN): là một phụ gia làm tăng chỉ số xetan cho nhiên liệu

diesel và được sử dụng rộng rãi nhất Nó cũng được gọi với cái tên octyl nitrate EHN không ổn định do nhiệt và phân hủy một cách nhanh chóng ở nhiệt độ cao trong buồng cháy Sản phẩm của sự phân hủy giúp quá trình cháy nhiên liệu bắt đầu và do đó rút ngắn giai đoạn cháy trễ EHN được sử dụng trong dải từ 0,05 đến 0,4% khối lượng và có thể làm tăng thêm chỉ số xetan từ 3 đến 8 Một nhược điểm của EHN là làm giảm độ ổn định nhiệt của một vài nhiên liệu diesel Điều này có thể được bù bằng việc sử dụng thêm các phụ gia

ổn định nhiệt [49]

Di-tertiary butyl peroxide (DTBP): là một phụ gia khác được sử dụng làm tăng chỉ

số xetan cho nhiên liệu diesel nhưng kém hiệu quả hơn so với EHN Tuy nhiên DTBP không làm giảm độ ổn định nhiệt của hầu hết nhiên liệu diesel và nó không chứa nitơ (điều này khá quan trọng đối với việc đáp ứng những quy định về nhiên liệu tái tạo) [49]

Phụ gia Envirox: Gồm các hạt cerium oxide nhỏ bé, làm xúc tác cho phản ứng đốt

cháy giữa diesel và không khí làm cho nhiên liệu diesel cháy hiệu quả hơn, giúp tiết kiệm năng lượng Cerium oxide có chức năng như một kho chứa oxygen Nó giải phóng oxy để

oxy hoá carbon monoxide và các loại khí hydrocarbon để hình thành CO2 Kết quả là nhiều nhiên liệu hơn được biến thành carbon dioxide, tạo ra ít khí độc và ít carbon bám vào thành xilanh động cơ hơn Environ có thể được sử dụng với tỷ lệ 5 phần triệu trong nhiên liệu diesel - chỉ bằng 1/10 mức của các phụ gia trước đây Các hạt nhỏ hơn cũng được phân bố đều hơn so với các phân tử lớn [31]

Phụ gia ôxít xeri CeO 2: là một chất có khả năng xúc tác có lợi trong buồng cháy của động cơ đốt trong Thông thường, CeO2 được chuẩn bị ở dạng hạt rất bé và được hòa trộn với nhiên liệu diesel ở dạng phụ gia với nồng độ rất thấp Thông qua thuộc tính xúc tác của nó, CeO2 có thể ôxy hóa ở nhiệt độ thấp muội than và các CO có trong khí thải của động cơ thành CO2 và nước H2O, làm giảm mức độ ảnh hưởng của khí thải độc hại đến con người và môi trường Bên cạnh đó, CeO2 còn có tác dụng giũ sạch muội than bám ở trên thành của buồng cháy, làm cho buồng cháy của động cơ sạch hơn và tạo điều kiện hiệu suất cháy cao hơn Qua đó cho phép động cơ tiết kiệm nhiên liệu hơn [14]

c Phụ gia đa chức năng

Phụ gia NITRO 9: Các dòng sản phẩm của NITRO 9 là: ZP 500, ZP 515… [11]

ZP-515: là chất điều tiết nhiên liệu dầu đa chức năng đậm đặc không độc, không

kiềm, không cồn, không kim loại, tạo ra phản ứng cân bằng giữa cacbon, ôxi, nitơ, hyđro, lưu huỳnh, nước… ổn định chất lượng xăng dầu Sử dụng phụ gia này có tác dụng nâng cao hiệu quả đốt cháy, nâng cao hiệu suất sử dụng, tiết kiệm nhiên liệu và bảo vệ môi trường

ZP-500: sử dụng cho động cơ xe chạy xăng hoặc diesel cỡ nhỏ, đa tính năng, siêu

đậm đặc bao gồm các tính năng làm sạch, bôi trơn, bảo vệ môi trường, tiết kiệm nhiên liệu…

Phụ gia Maz: là phụ gia nhiên liệu có gốc nitroparaffin và một số chất khác gồm dầu

ete và/hoặc hydrocacbon thơm Phụ gia Maz có nhiều loại khác nhau được sử dụng với các loại nhiên liệu khác nhau Ví dụ, Maz 100 dùng với nhiên liệu xăng, Maz 200 dùng với diesel, Maz 300 dùng với xăng ethanol, Maz 400 dùng với nhiên liệu biodiesel Cấu tạo công thức phụ gia Maz gồm thành phần gốc và thành phần điều chỉnh theo loại nhiên liệu

sử dụng

Thành phần gốc của Maz gồm 40% 65% nitropropane, 15% 25% nitroethane, 15% 25% nitromethane, 5% 15% toluene, 0,5% 5% L-1699 (hỗn hợp các vi chất do Công ty hoá chất Exxon-Mobil cung cấp) [32]

Phụ gia Eefuel: là một phụ gia nano cho nhiên liệu có xuất xứ từ tập đoàn công nghệ

nhiên liệu nano của Mỹ Phụ gia Eefuel đã được đăng ký với cơ quan bảo vệ môi trường của Mỹ (United States Environmental Protection Agency, viết tắt là USEPA) từ năm 1990 Eefuel có thể được sử dụng trong tất cả các loại xăng bao gồm xăng pha chì, xăng không pha chì, xăng được ôxy hóa cũng như xăng pha cồn Ngoài ra phụ gia Eefuel cũng có thể

được sử dụng cho nhiên liệu diesel có hàm lượng lưu huỳnh thấp và cao [15]

1.2.2 Phụ gia cho nhiên liệu sinh học

1.2.2.1 Đặc điểm của phụ gia cho nhiên liệu sinh học

Nhiên liệu sinh học hết sức đa dạng tùy thuộc vào từng nước cụ thể, nhiên liệu sinh học ở Việt Nam cho đến nay chủ yếu từ cây sắn để sản xuất cồn Còn ở Braxin thì từ gỉ đường mía Châu Âu thì dùng cải dầu hay dầu hạt hướng dương… Dùng phụ gia gì và ảnh hưởng đối với từng nguyên liệu cụ thể ra sao là một vấn đề cần nghiên cứu

Thông thường, ethanol sản xuất ra có nồng độ 96% là phổ biến nhất (96% ethanol và 4% nước) Để tạo ra ethanol có nồng độ hơn 99%, phải tiến hành các biện pháp loại nước, hay còn gọi là làm khan Một trong những biện pháp để đảm bảo ổn định (ngăn sự tách pha

và ngăn sự xâm nhập nước của hơi nước từ khí quyển) là người ta dùng phụ gia là các loại rượu có phân tử lớn hơn như: isopropylic, isobutyric…

Cần lưu ý rằng, nếu sử dụng cồn (E100) có thể trực tiếp phối trộn tại nơi phân phối, nhưng nếu sử dụng biodiesel (B100) thì trước đó phải phối trộn, phải có những điều kiện

kỹ thuật nhất định và rất nghiêm ngặt, do khả năng phân huỷ rất nhanh

Do đặc điểm của NLSH là kém ổn định, NLSH không phải chỉ là este dầu béo hay cồn khan, phối trộn với dầu diesel hay xăng, mà cần thiết phải có các phụ gia đặc biệt khác

để bảo đảm tính đồng pha, chống oxy hóa, chống biến chất, chống tách lớp, chống gỉ Phụ gia cho nhiên liệu sinh học được nghiên cứu muộn hơn phụ gia cho nhiên liệu khoáng Do tính chất và yêu cầu kỹ thuật chất lượng của nhiên liệu, việc nghiên cứu phụ gia cho nhiên liệu khoáng phối trộn với nhiên liệu sinh học được kế thừa, phát triển với tốc

độ nhanh trên cơ sở một số phụ gia sử dụng cho nhiên liệu khoáng

Khi đưa thêm một phụ gia nào đó vào nhiên liệu, phải đảm bảo không được làm xấu

đi các chỉ tiêu chất lượng khác của nhiên liệu Nếu vì lý do phải ưu tiên cho chỉ tiêu chất lượng nào đó mà làm xấu đi chỉ tiêu khác kém quan trọng hơn thì cần thiết phải tìm giải pháp khắc phục cho chỉ tiêu bị ảnh hưởng đó, nhưng phải đảm bảo không gây ảnh hưởng xấu dây chuyền tới chỉ tiêu chất lượng khác Vì vậy, khi cho bất kể phụ gia nào vào nhiên liệu, cần phải khảo sát để tìm ra hàm lượng phụ gia tối ưu

Phụ gia cho nhiên liệu xăng pha ethanol nhiên liệu biến tính (NLBT) và phụ gia cho nhiên liệu diesel pha ethanol NLBT về mặt nguyên tắc cũng giống như phụ gia cho xăng

và diesel khoáng Tuy nhiên, do tính chất đặc thù của hỗn hợp nhiên liệu khoáng với ethanol, trong thành phần phụ gia sử dụng cho các loại nhiên liệu này cần có sự thay đổi sao cho phù hợp

Khi nhiên liệu cháy, phụ gia cũng được cháy cùng nhiên liệu Khi nhiên liệu chưa được sử dụng (vận chuyển, tồn trữ bảo quản), phụ gia đóng vai trò giúp nhiên liệu giữ được chất lượng ổn định Theo đó, phụ gia cho nhiên liệu sinh học có thể chia thành hai nhóm: nhóm phụ gia tính năng và nhóm phụ gia tồn trữ bảo quản

- Nhóm phụ gia tính năng: là nhóm các phụ gia giúp nhiên liệu đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật về chất lượng khi sử dụng (tăng trị số octan đối với xăng, cải thiện trị

số xetan đối với nhiên liệu diesel )

- Nhóm phụ gia tồn trữ bảo quản: là nhóm các phụ gia giúp nhiên liệu giữ được thành phần và chất lượng ổn định khi chưa sử dụng (chống phân tách pha, chống ăn mòn, chống oxy hóa )

Có thể có những nhóm phụ gia đa chức năng: vừa đóng vai trò giúp nhiên liệu giữ được chất lượng ổn định khi chưa sử dụng, vừa đóng vai trò giúp nhiên liệu đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu cần thiết khi sử dụng

1.2.2.2 Một số phụ gia sinh học điển hình

Trên thế giới đã có một số hãng sản xuất và ứng dụng các sản phẩm phụ gia như: Pure Energy Corporation, Afton Chemical Corporation, Akzo Nobel, Ecomat, Albemarle Corporation, AAE, AMSOIL: (Amsoil, Inc.), BASF Corporation, Bayer Corporation, BMW of North America, Inc BP Amoco Chemical Company, Sekab,

Lubrizol, Oronite, Ciba, Castrol Heavy Duty Lubricants Inc… Một số phụ gia điển hình được giới thiệu dưới đây

Phụ gia Puranol được cung cấp bởi Pure Energy Corporation của Mỹ, gói phụ gia

đầu tiên (sử dụng 1÷5% hàm lượng với 15% ethanol khan) tạo dung dịch ổn định của ethanol trong diesel

Phụ gia O 2 - diesel được cung cấp bởi hãng AAE của Anh cho phép phối trộn 1% phụ

gia với 7÷8% ethanol trong diesel [49]… Sản phẩm này được thử nghiệm rộng rãi ở Mỹ, Brazil và nhiều trung tâm thử nghiệm nhiên liệu cho động cơ trên thế giới

Phụ gia Beraid ED được cung cấp bởi hãng Akzo Nobel Phụ gia này dùng cho hỗn

hợp ethanol và diesel khoáng với tỷ lệ phối trộn từ 5-10% ethanol

Ở Brazin, phụ gia AEP-102 được cung cấp bởi công ty ECOMAT Phụ gia này được

sản xuất từ dầu đậu tương Phụ gia này có khả năng phân hủy sinh học, có tác dụng cải

thiện trị số xetan, có khả năng trợ tan và có tính chất bôi trơn Phụ gia AEP-102 cho phép

ổn định hỗn hợp nhiên liệu gồm 89,4% diesel, 8% ethanol và 2,6% phụ gia Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm thành công nhiên liệu này trên các xe bus trong thành phố với

hỗn hợp phối trộn 86% diesel, 11% cồn khan, 3% phụ gia AEP-102 Trong quá trình thử

nghiệm đã cho thấy sự giảm khói phát thải và tiêu hao nhiên liệu, tuy nhiên có một số vấn

đề đối động cơ loại bơm phân phối và mức độ ổn định của nhiên liệu Nếu hỗn hợp này có chứa khoảng 14% phụ gia sẽ có giá thành đắt hơn diesel khoáng Hỗn hợp diesel, ethanol

và phụ gia AEP-102 được gọi là MAD-8 [53]

Phụ gia Etamix D3 là phụ gia trợ tan và cải thiện tính bôi trơn, được cung cấp bởi

hãng Sekab [54], [55] Phụ gia này đã được thử nghiệm tại hội đồng cấp chứng chỉ kỹ thuật của Thụy Điển năm 2003

Công ty BASF của Đức thương mại hóa sản phẩm A-8 (Dasol) là nhiên liệu phối trộn 8% ethanol và 2,6% chất trợ tan Ngoài ra, trong thành phần nhiên liệu phối trộn còn có phụ gia cải thiện trị số xetan và tính bôi trơn nhiên liệu làm tăng tính năng phân tán và chống ăn mòn Nhiên liệu Dasol đã được thử trên 80 xe tại Brazil (hạn chế thử nghiệm trên các xe có bơm phân phối)

Đại diện công ty OCTEL ở Bắc Mỹ thương mại hóa phụ gia OCTIMISE D 7001 Phụ

gia này có tác dụng đảm bảo độ ổn định của nhiên liệu diesel-ethanol

Hãng Betz-Dearborn cung cấp phụ gia GE Betz, là một chất nhũ hóa dẫn xuất từ sản

phẩm dầu mỏ, trong khi đó các hãng sản xuất phụ gia dựa trên nguyên liệu tái tạo (dầu mỡ động thực vật) như Pure Energy Corporation, AAE

Phụ gia Beraid ED10 của hãng Akzo Nobel là phụ gia đa chức năng (tẩy rửa, làm sạch vòi phun nhiên liệu, làm giảm độ tạo bọt, giảm phát thải, chống ăn mòn, tạo nhũ và tránh phân pha dầu-nước, chống oxy hóa, phân tán các thành phần không hòa tan ) Phụ gia này rất phù hợp cho nhiên liệu diesel pha ethanol (E-diesel) [56], [60]

Phụ gia VpCI -705 Bio của hãng CORTEC là phụ gia đa chức năng cho xăng, nhiên liệu diesel và bio-diesel Phụ gia này có tác dụng làm ổn định chất lượng nhiên liệu, tạo nhũ, bôi trơn, bảo vệ các gioăng đệm, ức chế ăn mòn rất tốt cho hầu hết các vật liệu kim loại trong các pha lỏng, bề mặt phân cách pha lỏng-hơi và pha hơi Phụ gia này rất phù hợp với nhiên liệu khi tồn chứa, bảo quản [49]

Như vậy trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu phụ gia choNLSH, nhưng chủ yếu đánh giá phụ gia tính năng đơn lẻ Việc nghiên cứu sản xuất, ứng dụng các tổ hợp phụ gia cho NLSH mới chỉ được thực hiện bởi một số hãng lớn của Mỹ, Anh, Braxin và Thụy Sĩ

(Lubrizol, Oronite, Ciba…) Mỗi hãng chỉ nghiên cứu 2-3 loại phụ gia Tuy nhiên, với xu thế phát triển sử dụng NLSH thì thị trường phụ gia sẽ xuất hiện thêm nhiều loại mới và đa dạng về tính năng để phù hợp với nguồn sản xuất NLSH và nhu cầu sử dụng

1.3 Các công trình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam về phụ gia cho nhiên liệu sinh học

1.3.1 Các nghiên cứu trên thế giới về phụ gia cho nhiên liệu sinh học

Xăng pha ethanol có nhiều ưu điểm như có trị số octan cao, cháy sạch hơn, làm giảm phát thải các chất gây ô nhiễm môi trường trong khí thải động cơ Tuy nhiên, xăng pha ethanol thuần túy chưa thể trở thành nhiên liệu thương phẩm do có một số nhược điểm như: có khả năng gây ăn mòn kim loại, có khả năng làm tăng sự xâm nhập từ ngoài vào của nước dẫn đến hiện tượng phân tách pha Để khắc phục những nhược điểm này, biện pháp có hiệu quả nhất là sử dụng phụ gia

Hàm lượng phụ gia trong nhiên liệu xăng-ethanol chiếm tỷ lệ nhỏ, khoảng 0,01÷5 % thể tích (trong một vài trường hợp đặc biệt có thể lên tới 10%) Mặc dù chiếm tỉ lệ nhỏ nhưng phụ gia đóng vai trò rất quan trọng Việc sử dụng phụ gia trong sản phẩm xăng-ethanol nhằm mục đích nâng cao được các tính chất quý và bảo vệ máy móc bền vững, nâng cao tuổi thọ của động cơ

Cũng giống như nhiên liệu xăng-ethanol, khi trộn ethanol vào diesel làm cho nhiên liệu diesel-ethanol có các tính chất thay đổi so với diesel gốc ban đầu: giảm tỷ trọng, giảm trị số xetan, giảm độ nhớt và giảm độ bôi trơn, giảm nhiệt trị, thay đổi nhiệt độ chớp cháy

và tính bay hơi, tăng khả năng hút nước và dễ xảy ra sự tách pha

Thành phần hóa học của xăng và diesel đều có mặt các nhóm của hydrocacbon và phi hydrocacbon Hàm lượng các nhóm hợp chất trong xăng và diesel rất khác nhau, phụ thuộc vào bản chất và nguồn gốc dầu thô ban đầu Thành phần các hợp chất phi hydrocacbon trong diesel cao hơn xăng khá nhiều Các thành phần này không những gây nên các vấn đề làm giảm tuổi thọ động cơ, làm giảm chất lượng của diesel mà còn gây ô nhiễm môi trường Thành phần phi hydrocacbon trong nhiên liệu tan được trong ethanol, làm cho tính dẫn điện của nhiên liệu tăng lên dẫn đến làm tăng quá trình ăn mòn kim loại Sự ăn mòn kim loại sẽ trầm trọng hơn nếu xảy ra sự phân tách pha trong diesel-ethanol

Chính vì vậy trên thế giới đã có các nghiên cứu phụ gia cho nhiên liệu sinh học, điển hình như:

Nghiên cứu của Arul Mozhi Selvan.V, Anand.R.B, Udayakumar.M [45] về tính ổn định của nhiên liệu khi thay đổi tỷ lệ pha giữa diesel, ethanol và phụ gia Castor oil (từ dầu thầu dầu), nghiên cứu cũng được thực hiện tương tự với với phụ gia COME (tổ hợp của phụ gia Castor oil và Methyl Tertiary Buthyl Ether) Kết quả nghiên cứu cho thấy với mỗi

tỷ lệ pha trộn khác nhau đều có ảnh hưởng nhất định đến tính ổn định của nhiên liệu, hình 1.2

Nghiên cứu cũng được thực hiện đối chứng giữa ba mẫu nhiên liệu là diesel, hỗn hợp gồm 80% diesel + 10% phụ gia Castor oil + 10% ethanol và hỗn hợp gồm 70% diesel + 10% Phụ gia COME + 20% ethanol trên động cơ với tỷ số nén lần lượt thay đổi là 15; 17

và 19 cho thấy công suất của động cơ với các mẫu nhiên liệu có pha ethanol và phụ gia được cải thiện hơn, tỷ lệ cải thiện càng cao khi tỷ số nén cao Các thông số phát thải như

CO, HC cải thiện đáng kể, nhất là ở tỷ số nén cao, [45]

Hình 1.2 Độ ổn định của hỗn hợp nhiên liệu diesel, ethanol với phụ gia

Nghiên cứu của Harald Schwahn and Uwe Lutz [65] về hỗn hợp xăng/ethanol với tỷ

lệ ethanol từ 0% đến 100% (E0 đến E100) và thử nghiệm đối chứng giữa trường hợp không và có pha phụ gia tẩy rửa (DCA) trên động cơ Ford 1.8L – 4 xilanh – 16 xupap, hình 1.3

Hình 1.3 Động cơ Ford 1.8L Duratec Flexi Fuel trên băng thử và hình ảnh cặn cacbon

bám trên xupap, vòi phun với trường hợp không và có pha phụ gia

Kết quả thử nghiệm với nồng độ phụ gia khác nhau với nhiên liệu E85 cho thấy với

tỷ lệ pha tăng dần 5mg/kg, 10mg/kg, 15mg/kg, 30mg/kg thì lượng cặn bám trên xupap giảm tương ứng là 62mg/xupap, 53 mg/xupap, 50 mg/xupap, 38 mg/xupap, 32 mg/xupap hình 1.4

Hình 1.4 Khối lượng cặn bám trên xupap động cơ sử dụng nhiên liệu E85 khi thay đổi

lượng phụ gia

Thử nghiệm cũng được thực hiện đối chứng với các mẫu nhiên liệu E10, E50, E70, E85 và E100 không có và có 200mg phụ gia tẩy rửa DCA Kết quả cho thấy các mẫu nhiên liệu có phụ gia đã có tác dụng tẩy rửa, hàm lượng cặn giảm đáng kể

Hình 1.5 Khối lượng cặn bám trên xu páp của động cơ khi thay đổi tỷ lệ ethanol

Một nghiên cứu khác đã tiến hành thực nghiệm xác định các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật

và khí thải của động cơ nhiều xy lanh phun xăng đa điểm với hai loại nhiên liệu E50 với 5% phụ gia và E60 với 10% phụ gia Phụ gia được pha chế bao gồm: 2 loại phụ gia chứa ô

xy bao gồm rượu isopropyl và methanol; 2 loại phụ gia làm tăng trị số ốc tan toluene và xylene; phụ gia chống kích nổ là acetôn Tỷ lệ theo khối lượng của các chất phụ gia như sau: toluene 50%, methanol 15%, rượu isopropyl 15%, acetone 10%, và xylene 10% Tất

cả các chất phụ gia này được trộn đều với nhau, từ hỗn hợp này pha 5% cho nhiên liệu E50 [E50+5] và 10% cho nhiên liệu E60 [E60+10], [46]

Hình 1.6 Hiệu suất nhiệt và phát thải của động cơ với các mẫu nhiên liệu Sample1 (E50

+ 5% phụ gia), Sample2 (E60+10% phụ gia) và Sole fuel (xăng gốc)

Kết quả cho thấy: sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng, ethanol và phụ gia cho thấy các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và khí thải được cải thiện Trong đó thêm ethanol làm tăng hiệu suất nhiệt, các chất khí thải bao gồm CO, CO2, HC và NOx đều giảm, lượng O2 trong khí thải tăng lên Trong trường hợp E60+10, kết quả cho thấy hiệu suất nhiệt tăng 23,24%;

CO2 giảm tới 7,9%; HC giảm 15ppm; NOx giảm tới 224ppm và O2 tăng 9,5%

Nghiên cứu của Xiaoqi Cui, Arjan Heiman tel, Valeri Golovichev and Ingemar Denbratt [72] đã đánh giá ảnh hưởng của diesel-ethanol 10% và 2% phụ gia hòa tan và ổn định; diesel-ethanol 10% sử dụng phụ gia tăng trị số xê tan 0.3 % 2-ethylhexyl nitrate (EHN); và nhiên liệu diesel nguyên chất có hàm lượng lưu huỳnh thấp đến các thông số của quá trình cháy, khí thải và tiêu hao nhiên liệu

Kết quả thử nghiệm nhiên liệu ED10 không có EHN cho thấy hàm lượng muội và

NOx thấp hơn diesel nguyên gốc tuy nhiên HC, CO và suất tiêu hao nhiên liệu cao hơn diesel Hơn nữa ED10 có hiệu suất chỉ thị thấp và thời gian cháy trễ muộn hơn diesel Với nhiên liệu ED10 có sử dụng phụ gia tăng trị số xe tan EHN, kết quả cho thấy suất tiêu hao nhiên liệu, hiệu suất chỉ thị và thời gian cháy trễ được cải thiện khi so với nhiên liệu ED10 không sử dụng EHN Khí thải HC, CO và NOx thấp hơn và muội cao hơn tại tải nhỏ, tại tải trung bình, thành phần CO và NOx cao hơn

Ngoài ra còn có nhiều nghiên cứu đánh giá khác, như:

Sử dụng phụ gia Ethyl Acetate nhằm làm tăng mức độ ổn định của hỗn hợp diesel và ethanol Kết quả cho thấy nếu pha Ethanol có tỷ lệ lớn hơn 5% và không có phụ gia ethyl Acetate thì hỗn hợp nhanh chóng bị tách pha, với hỗn hợp có tỷ lệ 13% ethanol, 7% ethyl acetate và 80% diesel thì đạt được được mức độ đồng nhất và không bị tách pha [47]

Sử dụng methyl este từ thực vật làm phụ gia chống tách pha Kết quả cho thấy với tỷ

lệ pha ethanol trên 30% động cơ làm việc không ổn định Để đảm bảo hỗn hợp ổn định không bị tách pha, thì tỷ lệ pha của methyl este là 5% với E10 và 10% với E20 và E30 [48]

Sử dụng phụ gia chống ăn mòn nhằm làm giảm lượng cặn bám trên xu páp nạp, phụ gia này thường được kết hợp từ axit béo và các amine với tỷ lệ thay đổi tùy thuộc vào nhà cung cấp [51]

Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu đánh giá các ảnh hưởng của phụ gia

và chủ yếu là phụ gia tính năng đơn lẻ đến tính chất của NLSH (độ ổn định, tính tẩy rửa, chống oxy hóa…) và đến các chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ Tuy nhiên, các NLSH được thử nghiệm cũng rất khác nhau về tỷ lệ, thành phần và nguồn sản xuất, do vậy việc nghiên cứu đánh giá chất lượng phụ gia chỉ có ý nghĩa cho một loại NLSH nhất định và cho nguồn sản xuất NLSH, một vùng miền nhất định

1.3.2 Các nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam hiện nay cũng đã sản xuất NLSH và tiến hành một số nghiên cứu chạy thử nhiên liệu nhiên liệu khoáng phối trộn với nhiên liệu sinh học Tuy nhiên chỉ có nhiên liệu xăng E5 (gasohol E5) đưa vào sử dụng đại trà

Hiện tại, ta chưa có tiêu chuẩn Quốc gia (TCVN) cho nhiên liệu xăng pha ethanol nhiên liệu E10, nhưng đã có TCVN 8063:2009 qui định về yêu cầu kỹ thuật đối với chỉ tiêu chất lượng của xăng E5

Tương tự, ta chưa có tiêu chuẩn Quốc gia (TCVN) cho nhiên liệu diesel pha ethanol, nhưng đã có TCVN 7717:2007 (ASTM D 6751) qui định về yêu cầu kỹ thuật đối với chất lượng của nhiên liệu diesel sinh học gốc B100, tiếp đến là TCVN 8064:2009 qui định về

yêu cầu kỹ thuật đối với chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu diesel B5 sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel

Ở trong nước, các công trình nghiên cứu về nhiên liệu sinh học thường tập trung nhiều vào phần nhiên liệu và ít đề cập tới tác dụng của phụ gia cho nhiên liệu sinh học Nghiên

cứu về phụ gia chủ yếu là đánh giá các loại phụ gia cho nhiên liệu khoáng như nghiên cứu

“Thử nghiệm đối chứng phụ gia tiết kiệm nhiên liệu eefuel” trên động cơ diesel 1 xylanh

nghiên cứu AVL 5402 tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong- Trường ĐHBK Hà Nội của Nguyễn Đức Khánh và nhóm tác giả năm 2008 [15], “Nghiên cứu sử dụng phụ gia nano ôxít xeri CeO2 cho nhiên liệu diesel trên động cơ nghiên cứu 1 xilanh AVL5402” của PGS

TS Bộ môn Động cơ đốt trong- Trường ĐHBK Hà Nội, 2008 [14] Bên cạnh

các nghiên cứu đánh giá sử dụng cũng có các nghiên cứu phát triển phụ gia như “Phát triển nhiên liệu chứa hỗn hợp phụ gia nano để giảm tiêu hao nhiên liệu và khí thải độc hại của động cơ diesel” đề tài cấp bộ của của TS Cù Huy Thành, TS Nguyễn Trọng Hiếu, ThS Nguyễn Trung Định, Học viện Kỹ thuật Quân Sự, “Ứng dụng công nghệ mới chế tạo hỗn hợp phụ gia nano cho nhiên liệu diesel để giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải khí thải độc hại của động cơ” đề tài cấp bộ của TS Cù Huy Thành, Học viện Kỹ thuật Quân Sự… Gần đây đã có một số nghiên cứu phụ gia cho nhiên liệu sinh học như nghiên cứu của

Vũ An và nhóm tác giả năm 2012 đã tổng hợp phụ gia cho nhiên liệu sinh học [29], đây là phụ gia chống ăn mòn kim loại như đồng, nhôm, thép Nghiên cứu sản xuất phụ gia từ các hợp chất tự nhiên nhằm tăng chỉ số ổn định oxy hóa, tăng trị số xetan và chống tách lớp của biodiesel B-100 và các hỗn hợp phối trộn của nó với dầu diesel của PGS TS Hồ Sơn Lâm [30] Tuy nhiên việc nghiên cứu sản xuất và sử dụng phụ gia cho nhiên liệu sinh học

là phụ gia có tính chất đơn lẻ và chưa được đầu tư nhiều do chưa có thị trường kinh doanh nhiên liệu sinh học mà mới chỉ là những nghiên cứu thử nghiệm để phục vụ xây dựng tiêu chuẩn quốc gia về nhiên liệu sinh học

Nghiên cứu lựa chọn phụ gia pha trộn vào các loại nhiên liệu sinh học nhằm đáp ứng đầy đủ các tính năng yêu cầu của nhiên liệu sinh học trong sử dụng và trong tồn chứa bảo quản (phù hợp với điều kiện Việt Nam) sẽ bổ sung cho các công trình nghiên cứu nhiên liệu sinh học trước đây

Như vậy, tại Việt Nam chưa có nghiên cứu cụ thể để tìm ra tổ hợp phụ gia đa chức năng có đầy đủ các tính năng (đảm bảo đồng thời tính chống phân tách pha, trợ tan, chống

ăn mòn, chống oxi hóa… và các chỉ tiêu khác) cho nhiên liệu sinh học nói chung và nhiên liệu E10 và D5 nói riêng để ứng dụng có hiệu quả, đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ khi sử dụng Luận án Tiến sĩ này sẽ có đóng góp nhất định vào việc nghiên cứu phụ gia cho nhiên liệu sinh học ở Việt Nam

Nhiên liệu ngày càng cạn kiệt, sự ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ, các lò đốt công nghiệp, các cơ sở sản xuất ngày một gia tăng và trở nên trầm trọng Để giảm thiểu ô nhiễm môi trường, đảm bảo an ninh năng lượng lâu dài và phát triển bền vững, nhiều quốc gia đã tập trung nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học thay thế một phần dầu khoáng, tiến tới xây dựng ngành nhiên liệu sạch ở quốc gia mình Việt Nam cũng đang tập trung theo hướng phát triển này

Do động cơ đang sử dụng với số lượng rất lớn trong khi sản lượng cũng chưa thể đáp ứng đủ cho toàn bộ động cơ nói trên nên chưa phù hợp để sử dụng hoàn toàn NLSH do vậy NLSH được sử dụng chủ yếu dưới dạng phối trộn với nhiên liệu khoáng

Để đảm bảo chất lượng nhiên liệu khi phối trộn thì cần thiết phải sử dụng phụ gia Trên thế giới đã có những nghiên cứu về phụ gia cho nhiên liệu sinh học, tuy nhiên phần