nghiên cứu thử nghiệm dùng nhiên liệu hỗn hợp do và jatropha trên động cơ diesel công suất nhỏ

Tuy nhiên, với công nghệ này, dầu sinh học vẫn có nhược điểm là độ bền oxy hóa và độ bền nhiệt kém cũng như ảnh hưởng của nó đến vật liệu cao su, hệ thống nhiên liệu ; cho nên một số nướ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên: Lê Minh Thảo, học viên lớp Cao học Kỹ thuật Tàu thủy khóa

2008-2010, xin cam đoan:

Mọi tài liệu, số liệu dùng tính toán, dẫn chứng đều hợp lệ và chính xác, không

vi phạm pháp luật

Nếu có cá nhân, tổ chức nào tranh chấp xung quanh các tài liệu, số liệu trên, tôi xin chịu trách nhiệm hoàn toàn

Tôi xin chân thành cảm ơn TS Vũ Văn Xứng, Hiệu trưởng Trường Đại học Nha Trang đã cho phép tôi thực hiện luận văn này tại Trường Đại học Nha Trang

Tôi xin chân thành biết ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Nha Trang, Ban Chủ nhiệm Khoa Kỹ thuật Tàu thủy và Bộ môn Động lực của trường luôn dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận văn này Tôi xin cảm ơn Phòng Đào tạo và Sau Đại học, Phòng Khoa học và Hợp tác quốc tế (Trường Đại học Nha Trang) đã giúp đỡ tận tình trong quá trình làm luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn Nhà giáo ưu tú, PGS.TS Quách Đình Liên đã nhận hướng dẫn tôi làm luận văn này Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn Nhà giáo ưu tú, PGS.TS Quách Đình Liên đã tận tình giúp đỡ, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận văn

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy giáo phản biện, các thầy trong Hội đồng chấm luận văn đã đọc và góp ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận văn này và định hướng nghiên cứu trong tương lai

Tôi xin cảm ơn quý thầy, các bạn, đồng nghiệp và gia đình đã động viên, khuyến khích tôi trong suốt thời gian học tập cũng như thực hiện luận văn này

Học viên

Lê Minh Thảo

MỤC LỤC

Trang

Mục lục 1

Danh mục các bảng 6

Danh mục các hình 7

Mở đầu 7

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SINH HỌC 11

1.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 11

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 11

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 14

1.2 Nhiên liệu có khả năng dùng cho động cơ diesel công suất nhỏ 16

1.2.1 Khí dầu mỏ hóa lỏng 16

1.2.1.1 Ưu điểm 16

1.2.2 Khí thiên nhiên 17

1.2.2.1 Ưu điểm 17

1.2.2.2 Nhược điểm 18

1.2.3 Ethanol 18

1.2.3.1 Ưu điểm 18

1.2.3.2 Nhược điểm 19

1.2.4 Methanol 19

1.2.4.1 Ưu điểm 19

1.2.4.2 Nhược điểm 19

1.2.5 Nhiên liệu sinh học 20

1.2.5.1 Dầu thực vật 20

1.2.5.2 Nhiên liệu biodiesel 25

1.2.5.3 Nhận xét chung về dầu thực vật và biodiesel 26

1.2.6 Sơ bộ kết luận về chọn lựa nhiên liệu thay thế - dầu jatropha 27

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LỰA CHỌN HỖN HỢP DO–JATROPHA LÀM NHIÊN LIỆU 29

2.1 Nhiên liệu diesel 29

2.1.1 Khái quát về nhiên liệu diesel 29

2.1.2 Một số vấn đề môi trường khi sử dụng dầu diesel 30

2.2 Dầu jatropha và khả năng dùng jatropha làm nhiên liệu 34

2.2.1 Giới thiệu về cây jatropha và dầu jatropha 34

2.1.1.1 Giới thiệu về cây jatropha 34

2.2.2 Các tính chất của dầu jatropha 36

2.2.2.1 Tính chất hóa lý của dầu jatropha 36

2.3 So sánh một số tính chất giữa dầu jatropha và diesel 39

2.3.1 Chỉ số cetan 39

2.3.2 Độ nhớt 40

2.3.3 Tỷ trọng và nhiệt trị 40

2.3.4 Nhiệt độ chớp cháy 40

2.3.5 Nhiệt độ đông đặc 40

2.3.6 Hàm lượng lưu huỳnh 40

2.3.7 Hàm lượng nitơ 40

2.3.8 Cặn cacbon 41

2.3.9 Thành phần oxy: 41

2.4 Nhận xét về khả năng dùng dầu jatropha làm nhiên liệu 41

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 42

3.1 Thực nghiệm 42

3.1.1 Mục đích thực nghiệm 42

3.1.2 Lựa chọn các thông số khảo sát thực nghiệm 42

3.1.2.1 Các thông số đầu vào 42

3.1.2.2 Các thông số đầu ra 42

3.2 Quy hoạch thực nghiệm 43

3.2.1 Quy hoạch thực nghiệm xác định độ nhớt của hỗn hợp nhiên liệu DO– Jatropha 43

3.2.1.1 Chọn yếu tố chi phối đến độ nhớt 43

3.2.1.2 Chọn miền khảo sát của các yếu tố đầu vào 43

3.2.2 Quy hoạch thực nghiệm xác định chi phí nhiên liệu của động cơ khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp diesel – jatropha 43

3.2.2.1 Chọn yếu tố chi phối đến chi phí nhiên liệu riêng 43

3.2.2.2 Chọn miền khảo sát của các yếu tố đầu vào 44

3.2.3 Quy hoạch thực nghiệm xác định độ đục khí xả của động cơ khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp diesel – jatropha 44

3.2.3.1 Chọn yếu tố chi phối đến độ đục khí thải 44

3.2.3.2 Chọn miền khảo sát của các yếu tố đầu vào 44

3.3 Thiết bị thực nghiệm 44

3.3.1 Động cơ nghiên cứu sử dụng nhiên liệu hỗn hợp dầu DO – Jatropha 45

3.3.1.1 Chọn động cơ thử nghiệm 45

3.3.1.2 Thông số kỹ thuật của động cơ thí nghiệm 45

3.3.2 Cụm tạo tải 46

3.3.3 Thiết bị đo nhiệt độ 47

3.3.4 Thiết bị đo tốc độ quay 47

3.3.5 Bộ tạo hỗn hợp dầu diesel – jatropha 48

3.3.6 Thiết bị đo lượng tiêu thụ nhiên liệu 48

3.3.7 Dụng cụ, thiết bị đo độ nhớt 48

3.3.8 Thiết bị đo độ đục khí thải 49

3.4.1 Hệ thống nhiên liệu thay thế cho trạm diesel - máy phát điện và động cơ chính tàu thủy .50

3.4.2 Hệ thống nhiên liệu thay thế cho động cơ ôtô, tàu thuyền cỡ nhỏ 51

3.4.3 Hệ thống nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel dùng trong nông nghiệp 51

3.5 Phương pháp tạo hỗn hợp nhiên liệu 52

3.5.1 Xác định tỉ lệ hỗn hợp và nhiệt độ sấy 52

3.5.2 Phương pháp pha hỗn hợp theo tỷ lệ pha trộn 53

3.5.3 Phương pháp gia nhiệt cho hỗn hợp 54

3.6 Sơ đồ bố trí thực nghiệm 55

3.7 Tiến hành thực nghiệm 56

3.7.1 Thực nghiệm xác định độ nhớt 56

3.7.1.1 Tiến hành xác định độ nhớt của các mẫu thử 56

3.7.1.2 Kết luận về chọn lựa nhiệt độ sấy của các hỗn hợp nhiên liệu 57

3.7.2 Xác định chi phí nhiên liệu của động cơ D12 khi sử dụng diesel và hỗn hợp diesel - jatropha .57

3.7.2.1 Tiến hành xác định chi phí nhiên liệu 57

3.7.2.2 Tổng hợp kết quả đo chi phí nhiên liệu 58

3.7.3 Xác định độ đục khí xả của động cơ khi sử dụng diesel và hỗn hợp diesel - jatropha 58

3.8 Xử lý kết quả thực nghiệm 59

3.8.1 Cơ sở lý thuyết áp dụng để xử lý, kiểm định, đánh giá kết quả thực nghiệm 59

3.8.1.1 Kiểm tra độ tin cậy của số liệu 59

3.8.1.2 Xác định hàm hồi quy 59

3.8.1.3 Kiểm định sự phù hợp của hàm hồi qui 60

3.8.2 Xử lý kết quả đo độ nhớt 61

3.8.2.1 Xử lý kết quả độ nhớt của hỗn hợp J5, J10, J15, J20, J22.5 61

3.8.2.2 Phương trình và đồ thị hồi qui độ nhớt của các hỗn hợp 61

3.8.2.3 Nhận xét kết quả đo độ nhớt của hỗn hợp diesel - Jatropha 62

3.8.3 Xử lý kết quả đo chi phí nhiên liệu riêng của động cơ 62

3.8.4 Xử lý kết quả đo độ đục khí xả các hỗn hợp J5, J10, J15, J20 và J22.5 63

3.9 Phân tích khả năng dùng hỗn hợp làm nhiên liệu 66

3.9.1 Phân tích, so sánh chỉ tiêu kinh tế 66

3.9.2 So sánh theo chỉ tiêu môi trường 68

3.9.2.1 Độ đục khí xả 68

3.9.2.2 Các chỉ tiêu khí xả CO2, CO, SOx, NOx, HC 69

3.10 Kết luận về việc chọn hỗn hợp nhiên liệu 71

3.10.1 Kết luận về việc chọn hỗn hợp nhiên liệu 71

3.10.2 Thảo luận một số kết quả 71

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 73

4.1 Kết luận 73

4.2 Đề xuất ý kiến 73

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 1.1 Phản ứng este hóa dầu thực vật, mỡ động vật 25

Methyl dầu cải 25

Hình 1.2 Sơ phương pháp ester hóa 26

Hình 2.1 Cây và hạt jatropha 34

Hình 3.1 Sơ đồ các thông số đầu vào, đầu ra của quá trình nghiên cứu 43

Hình 3.2 Sơ đồ bố trí thiết bị thí nghiệm 44

Hình 3.3 Các bộ phận của cụm phụ tải 46

Hình 3.4 Sơ đồ đấu dây thiết bị tiêu thụ 47

Hình 3.5 Nhiệt kế, cảm biến đo nhiệt độ khí xả 47

Hình 3.6 Cảm biến tốc độ động cơ 48

Hình 3.7 Dụng cụ đo độ nhớt, Nhãn hiệu: LABORMMUSZERIPARIMUVEK Budapest, Hungary 50

Hình 3.8 Thiết bị đo độ đục khí thải 49

Hình 3.9 Giao diện chương trình 50

Hình 3.10 Hệ thống pha trộn và gia nhiệt tự động cho hỗn hợp nhiên liệu 50

Hình 3.11 Sơ đồ hệ thống chuẩn bị nhiên liệu bằng bộ sấy khí xả 51

cho các tổ diesel-máy phát điện công suất lớn 51

Hình 3.12 Sơ đồ hệ thống chuẩn bị nhiên liệu cho các động cơ diesel 52

Hình 3.13.Sơ đồ cấu tạo máy đồng thể thủy động .55

Hình 3.14 Sơ đồ hệ thống chuẩn bị nhiên liệu với bộ sấy điện 54

Hình 3.15 Sơ đồ thiết bị chạy có tải sử dụng động cơ D12 55

Hình 3.16 Đồ thị biến thiên độ nhớt của các hỗn hợp nhiên liệu theo nhiệt độ 62

Hình 3.17 Đồ thị đặc tính tải động cơ D12 sử dụng khi sử dụng 63

Hình 3.18 Đồ thị biến thiên độ đục khí thải của động cơ 63

Hình 3.19 Đồ thị biến thiên nhiệt độ khí xả động cơ khi sử dụng 65

nhiên liệu DO và các hỗn hợp J5, J10, J15, J20 và J22.5 65

Hình 3.20 Đồ thị biến thiên nhiệt độ nước làm mát động cơ 66

Hình 3.21 Đồ thị biến thiên tiêu hao nhiên liệu riêng, độ đục khí thải, HC, CO, CO2 của dầu DO và các hỗn hợp J10, J20, J50, J75 và J100 .70

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 So sánh tính năng khí hóa lỏng với dầu diesel .16

Bảng 1.2 So sánh tính năng khí thiên nhiên với diesel 17

Bảng 1.3 Đặc tính lý hoá cơ bản của ethanol, methanol và diesel .18

Bảng 1.4 Thành phần các axit béo của các loại dầu .20

Bảng 1.5 Thành phần hóa học của các loại dầu 21

Bảng 1.6 Một số tính chất cơ bản của dầu thực vật 22

Bảng 1.7 Một số tính chất cơ bản của biodiesel 25

Bảng 2.1 Tiêu chuẩn Việt Nam về dầu DO (TCVN 5689: 2005) 29

Bảng 2.2 Thông số hóa lý cuả dầu Jatropha .36

Bảng 2.3 Thành phần axit béo trong dầu hạt Jatropha 36

Bảng 2.4 So sánh một số tính chất của dầu thực vật, biodiesel và diesel 41

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của động cơ diesel D12 45

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của máy phát điện 46

Bảng 3.3 Các mức tải chạy thử nghiệm 56

Bảng 3.4 Kết quả đo độ nhớt của dầu diesel và dầu jatropha ở 33 0C 56

Bảng 3.5 Tổng hợp kết quả đo độ nhớt các hỗn hợp DO, J5, J10, J15, J20 và J22.5.56 Bảng 3.6 Tổng hợp kết quả chi phí nhiên liệu riêng của động cơ 58

Bảng 3.7 Tổng hợp kết quả giá trị đo độ đục khí thải động cơ khi sử dụng dầu DO và các hỗn hợp J5, J10, J15, J20 và J22.5 58

Bảng 3.8 Phương trình hồi quy biến thiên độ nhớt các hỗn hợp J10, J15, J20, J22.5 61 Bảng 3.9 Phương trình hồi quy đặc tính tải của động cơ khi sử dụng 62

Bảng 3.10 Phương trình hồi quy độ đục khí xả động cơ khi sử dụng nhiên liệu 64

Bảng 3.12 Tổng hợp giá trị biến thiên nhiệt độ nước làm mát động cơ khi sử dụng 64

nhiên liệu DO và các hỗn hợp J5, J10, J15, J20 và J22.5 65

Bảng 3.13 Phương trình hồi quy nhiệt độ khí xả và nước làm mát động cơ 65

khi sử dụng nhiên liệu DO và các hỗn hợp J5, J10, J15, J20 và J22.5 66

MỞ ĐẦU

Nhiên liệu hóa thạch là nguồn nhiên liệu truyền thống chính yếu cung cấp năng lượng cho hầu hết hoạt động sản xuất công nghiệp và sinh hoạt của con người Trong các loại nhiên liệu hóa thạch, dầu mỏ có vai trò quan trọng hơn hết và là nguồn nhiên liệu không thể thiếu hiện nay trên thế giới Trong thập niên đầu của thế kỷ 21, giá dầu thô không ngừng biến động theo chiều hướng tăng cao đã tác động trực tiếp đến các vấn đề kinh tế và chính trị trên toàn thế giới

Kể từ khi có kỹ thuật thăm dò địa chất bằng vệ tinh, loài người đã được cảnh báo rằng nguồn năng lượng mà thiên nhiên ưu đãi sắp cạn dần, những dự báo sớm nhất

từ nữa sau của thế kỷ 20 cho thấy nguồn dầu mỏ trên trái đất sẽ dần dần cạn kiệt vào những năm 30 đến 50 của thế kỷ 21 Bên cạnh đó, việc sử dụng dầu mỏ làm nhiên liệu dẫn đến phát thải ra bầu khí quyển trái đất một lượng khổng lồ các chất khí gây hiệu ứng nhà kính và là nguyên nhân gây ra biến đổi khí hậu toàn cầu

Để giải quyết các vấn đề trên, nhiều nước trên thế giới đã và đang nghiên cứu, phát triển các nguồn năng lượng mới có khả năng thay thế nhiên liệu truyền thống, có khả năng tái tạo được, trong đó phải kể đến nhiên liệu sinh học Nhiên liệu sinh học là nhiên liệu có nguồn gốc sinh học và có khả năng tái tạo lại thông qua các chu trình sinh học Nhiên liệu sinh học không chỉ hứa hẹn thay thế dầu mỏ bởi một số thuộc tính tương đồng với diesel mà còn giúp kiềm chế sự gia tăng giá xăng dầu, giảm lượng khí nhà kính thải vào khí quyển Nhiên liệu sinh học gồm: dầu thực vật sạch, ethanol, diesel sinh học, dimetyl ete (DME), etyl tertiary butyl ete (ETBE) và các sản phẩm từ chúng

Trên thế giới, ngành công nghiệp sản xuất nhiên liệu sinh học đã được phát triển khá cao, hiện có khoảng hơn 50 nước khai thác và sử dụng nhiên liệu sinh học ở các mức độ khác nhau Ấn Độ và Trung Quốc là những nước có đầu tư mạnh mẽ về phát triển vùng nguyên liệu và chế biến nhiên liệu sinh học Mỗi năm, trên thế giới sản xuất khoảng trên 50 tỷ lít ethanol (75% dùng làm nhiên liệu) và dự kiến đến năm 2012

sẽ đạt khoảng 80 tỷ lít; 4 triệu tấn diesel sinh học và năm 2010 tăng lên khoảng 20 triệu tấn diesel sinh học (B100)

Xu hướng thế giới đang chuyển dần từ thế hệ công nghệ thứ nhất là dùng nông sản sang thế hệ thứ hai là dùng nông sản không làm thực phẩm và đang bắt đầu thế hệ

công nghệ thứ ba là sử dụng vi tảo Gần 90% sản lượng biodiesel được sản xuất trên công nghệ thế hệ thứ nhất, đó là thông qua quá trình ester hóa triglycerid với methanol

và xúc tác đồng thể (xúc tác kiềm) tạo thành metyl ester axit béo Gần đây một số nước đã sử dụng xúc tác dị thể (ZnAl2O4) cho sản phẩm chất lượng tốt hơn Tuy nhiên, với công nghệ này, dầu sinh học vẫn có nhược điểm là độ bền oxy hóa và độ bền nhiệt kém cũng như ảnh hưởng của nó đến vật liệu cao su, hệ thống nhiên liệu ; cho nên một

số nước đã tập trung nghiên cứu ứng dụng công nghệ gasification, fischer – tropsch để nâng cao hiệu suất, tăng giá trị sản phẩm, giảm phát thải, giá thành cạnh tranh

Việt Nam với điều kiện khí hậu, thổ nhưỡng và cơ sở hạ tầng có nhiều tiềm năng để phát triển nhiên liệu sinh học Một số doanh nghiệp, cơ quan nghiên cứu đã tiến hành một số đề tài, dự án về khảo sát, tuyển chọn một số giống cây Jatropha để phát triển vùng nguyên liệu và tiến hành sản xuất thử nghiệm biodiessel từ dầu Jatropha như: Công ty Năng lượng Xanh (TP HCM), Đại học Thành Tây (Hà Nội), Viện Khoa học và Nông nghiệp Việt Nam, Viện Nghiên cứu dầu và Cây có dầu TP HCM Việt Nam, đã nghiên cứu và tổng hợp thành công diesel sinh học (BDF) từ hai nguồn: thứ nhất là từ dầu thực vật: dầu dừa, dầu lạc, dầu ăn thải, dầu hạt bông vải, dầu hạt cao su, dầu jatropha và gần đây là dầu từ tảo biển; thứ hai là mỡ gà thải, mỡ cá basa …

Các đề tài, dự án nói trên được triển khai nhằm góp phần thực hiện mục tiêu phát triển nhiên liệu sinh học của Việt Nam là đến năm 2010 sẽ xây dựng và phát triển được mô hình sản xuất thử nghiệm và sử dụng nhiên liệu sinh học quy mô 100 nghìn tấn E5 và 50 nghìn tấn B5/năm, bảo đảm đáp ứng 0,4% nhu cầu xăng dầu của cả nước Giai đoạn 2011-2015, xây dựng và phát triển các cơ sở sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học trên phạm vi cả nước, đến năm 2015, sản lượng ethanol và dầu thực vật đạt

250 nghìn tấn (pha được 5 triệu tấn E5, B5), đáp ứng 1% nhu cầu xăng dầu của cả nước

Đối với việc thử nghiệm nhiên liệu sinh học trên động cơ, đến nay, thế giới có hơn 30 loại dầu thực vật được sử dụng chạy trên động cơ diesel Nhiều nghiên cứu đã tiến hành đánh giá đặc tính lý, hóa học của nhiều loại dầu thực vật khác nhau và thử nghiệm pha trộn dầu thực vật với dầu diesel cũng như pha trộn dầu thực vật với các dung môi khác như: ethanol, dầu hỏa ., các kết quả đánh giá khả quan về mặt môi trường – xã hội ; tuy nhiên, nhược điểm của các loại dầu thực vật khi sử dụng làm

nhiên liệu ảnh hưởng đến công suất động cơ, suất tiêu hao nhiên liệu tăng Tại Ấn Độ, các nhà khoa học tiến hành pha trộn dầu Jatropha với DO kết hợp tận dụng nhiệt khí

xả để sấy nóng nhiên liệu hỗn hợp nhằm đánh giá tiêu hao nhiên liệu riêng và khí thải động cơ [27] Nhưng nghiên cứu này chỉ thử nghiệm ở các tỷ lệ pha trộn dầu Jatropha khá cao, chưa thử nghiệm ở các tỷ lệ dầu jatropha thấp để có đánh giá đầy đủ hơn

Việt Nam, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP HCM thử nghiệm và đánh giá hiệu quả môi trường khi sử dụng bio-jatropha trên máy phát điện động cơ diesel nhưng chưa đề cập đến chỉ tiêu kinh tế Thạc sỹ Phùng Minh Lộc, Trường Đại học Nha Trang thử nghiệm ethanol pha vào dầu dừa và dầu hỏa pha vào dầu dừa kết hợp với sấy nóng hỗn hợp để đánh giá hiệu quả kinh tế của động cơ diesel [12], [13] Tuy nhiên, các nghiên cứu này chưa đề cập đến việc đánh giá chỉ tiêu khí thải của động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu thay thế

Tóm lại, chúng ta đã có bước tiến trong nghiên cứu phát triển vùng nguyên liệu

và đầu tư công nghệ chế biến nhiên liệu sinh học nói chung, sản xuất tổng hợp diesel sinh học từ dầu hạt jatropha nói riêng Tuy nhiên, chưa có công trình nào trong nước

sử dụng trực tiếp dầu Jatropha để đánh giá các chỉ tiêu kinh tế và môi trường khi chạy thử nghiệm trên động cơ diesel Với những lý do trên, đề tài đề xuất một nhiên liệu mới kết hợp với dầu truyền thống dùng cho động cơ diesel công suất nhỏ và đánh giá một số chỉ tiêu kinh tế, môi trường khi ứng dụng vào động cơ diesel góp phần thúc đẩy họat động nghiên cứu dầu thực vật, tổng hợp diesel sinh học từ dầu hạt jatropha nhằm hướng đến mục tiêu lớn hơn là an ninh năng lượng, môi trường

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Mục đích của đề tài là nghiên cứu thử nghiệm dùng hỗn hợp dầu diesel – jatropha để chạy trên động cơ công suất nhỏ Với mục đích như trên mục tiêu đề tài cần giải quyết:

- Nghiên cứu các tính chất lý hóa của nhiên liệu diesel, jatropha có ảnh huởng đến quá trình cháy

- Nghiên cứu thực nghiệm các giải pháp kỹ thuật xử lý nhiên liệu hỗn hợp cho phù hợp để làm nhiên liệu sử dụng cho động cơ diesel công suất nhỏ

- Xác định các tỷ lệ hợp lý giữa hỗn hợp dầu diesel và jatropha để sử dụng chạy trên động cơ công suất nhỏ đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế, môi trường

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Đối tượng nghiên cứu: Nhiên liệu hỗn hợp DO - Jatropha

- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tỷ lệ nhiên liệu hỗn hợp dầu jatropha và DO

để chạy trên động cơ diesel công suất nhỏ D12 tại phòng thí nghiệm động lực thuộc Khoa Kỹ thuật Tàu thủy – Trường Đại học Nha Trang Các phương pháp xử lý giảm

độ nhớt nhằm tăng khả năng tự cháy của nhiên liệu Đánh giá mức tiêu hao nhiên liệu

và độ đục khí xả của hỗn hợp nhiên liệu lựa chọn

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Đề tài nghiên cứu được thực hiện dựa trên việc kết hợp lý thuyết và thực nghiệm

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

Qua nghiên cứu thực nghiệm, đề tài xác định hỗn hợp nhiên liệu mới thích hợp làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel cỡ nhỏ Nhiên liệu mới giúp ngư dân ven biển, sông lạch, nông dân chủ động hơn nguồn nhiên liệu trong họat động sản xuất nông nghiệp, đánh bắt thủy sản Giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu từ dầu mỏ, hạn chế

ô nhiễm môi trường sinh thái

CẤU TRÚC LUẬN VĂN

Đề tài thực hiện gồm 4 chương:

Chương 1 Tổng quan về nhiên liệu sinh hoc

Chương 2 Cơ sở về sự lựa chọn hỗn hợp DO – Jatropha làm nhiên liệu

Chương 3 Thực nghiệm và kết quả

Chương 4 Kết luận và đề xuất

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SINH HỌC

1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Nghiên cứu về nhiên liệu sinh học được bắt đầu khoảng giữa những năm 1800, các nhà khoa học đã chuyển hóa dầu thực vật để thu glycerol ứng dụng làm xà phòng

và thu được các phụ phẩm là methyl hoặc ethyl ester (biodiessel) Rudolf Diesel lần đầu tiên sử dụng biodiesel dầu lạc trên động cơ do ông sáng chế vào ngày 10/08/1893

Từ năm 1916, đã bắt đầu một chương trình nghiên cứu về khả năng sử dụng dầu thực vật làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong Trong những năm gần đây, nhiều nước như Hoa Kỳ, EU, Úc, Braxin, Nam Phi, Trung Quốc, Ấn Độ, Nhật Bản nghiên cứu các đề tài, dự án liên quan đến ứng dụng dầu thực vật và nhiên liệu diesel làm nhiên liệu cho động cơ nhằm thay thế nhiên liệu từ dầu mỏ ngày càng trở nên cạn kiệt

Về công nghệ chế biến nhiên liệu sinh học, hiện nay nhiều nước chủ yếu dùng phương pháp hoá học để sản xuất dầu diesel sinh học và sử dụng dầu diesel sinh học

đạt hiệu quả cao về môi trường và xã hội Tuy nhiên, việc sử dụng phương pháp hoá

học để sản xuất dầu diesel sinh học gặp khó khăn về nhiệt độ phản ứng cao, thuần hoá phức tạp, sản phẩm phụ sinh ra từ phản ứng khó xử lý Bên cạnh đó, nếu dùng chất xúc tác axít, kiềm sẽ thải ra nhiều chất gây ô nhiễm Chính vậy, công nghệ sạch sản xuất dầu diesel sinh học bằng phương pháp xúc tác sinh học được quan tâm ở các nước phát triển Năm 2001, Nhật Bản đã dùng tế bào Rhizopus oryzae cố định hoá để sản xuất dầu diesel sinh học, tỷ lệ chuyển hoá của dầu diesel sinh học có thể đạt trên 95%, cao hơn công nghệ sử dụng phương pháp hoá học, giá thành giảm được 15-20%, đặt cơ sở ban đầu cho phương pháp sản xuất dầu diesel bằng phương pháp lên men

Về qui mô, ngày nay nhiên liệu sinh học đã được sản xuất ở mức công nghiệp thương mại Năm 2005, tổng sản lượng ethanol nhiên liệu sinh học của cả thế giới đạt

-30 triệu tấn, trong đó Braxin và Mỹ đạt sản lượng khoảng 12 triệu tấn; tổng sản lượng dầu diesel sinh học khoảng 2,2 triệu tấn, trong đó Đức khoảng 1,5 triệu tấn Dự báo đến năm 2030, lượng ethanol của Braxin xuất khẩu sẽ tăng lên 200 tỷ lít, so với 3 tỷ lít hiện nay đáp ứng thay thế 10% nhu cầu xăng của thế giới EU rất coi trọng nhiên liệu sinh học, EU chủ yếu sử dụng dầu diesel sinh học từ nguyên liệu đậu tương, hạt cải

dầu và dầu, mỡ động thực vật Hiện nay, trong các nước EU, sử dụng dầu diesel đạt 2 triệu tấn, chiếm 90% tổng sản lượng dầu diesel sinh học của thế giới

Về chính sách đầu tư, nhiều nước đã đề ra mục tiêu phát triển nhiên liệu sinh học, EU đặt mục tiêu đến năm 2020 sản xuất 20% điện năng từ các nguồn năng lượng tái sinh Khối EU các nước thành viên cam kết sử dụng ít nhất 10% nhiên liệu sinh học trong giao thông đến năm 2020 Mỹ đề ra đến năm 2020, nhiên liệu sinh học chiếm 20% nhiên liệu trong giao thông Đặc biệt, Thuỵ Điển đặt mục tiêu sau năm 2020, ethanol nhiên liệu từ xenlulo thay thế toàn bộ nhiên liệu hoá thạch, chấm dứt triệt để

sự phụ thuộc vào dầu mỏ Trung Quốc, định hướng đến năm 2010, sản lượng nhiên liệu sinh học khoảng 6 triệu tấn, trong đó sản lượng dầu diesel sinh học khoảng 1 triệu tấn, đến năm 2020, sản lượng nhiên liệu sinh học đạt 19 triệu tấn, trong đó sản lượng diesel sinh học khoảng 9 triệu tấn Dự báo đến năm 2030, nhiên liệu sinh học có thể đáp ứng 7% nhu cầu năng lượng toàn cầu

Đối với các nước Đông Nam Á, là khu vực có điều kiện thiên nhiên ưu đãi nên

có nguồn dầu thực vật được lấy từ nhiều loại cây trong đó vẫn chủ yếu vẫn là cọ, dừa, jatropha Thái Lan, hiện đã sử dụng dầu cọ và đang bước đầu nghiên cứu, thử nghiệm dầu hạt cây jatropha Hạt cây jatropha, khoảng 4 kg hạt sản xuất được 1 lít diesel sinh học tinh khiết 100%, đặc biệt loại hạt này không thể dùng để ép dầu ăn và có thể mọc trên những vùng đất khô cằn, cho nên giá thành sản xuất sẽ rẻ hơn so với các loại hạt

có dầu truyền thống khác

Tuy nhiên, có một số trở ngại nhất định khi sử dụng nhiên liệu sinh học chạy trên động cơ đốt trong, trong đó trở ngại về mặt kỹ thuật là đáng quan tâm nhất, đó là

có sự khác biệt về tính chất của dầu thực vật và nhiên liệu diesel nên cần thiết phải xử

lý dầu thực vật để có tính chất gần giống với nhiên liệu diesel hoặc phải thay đổi về kết cấu động cơ để động cơ làm việc có hiểu quả nhất khi sử dụng dầu thực vật Để có tính chất gần diesel, người ta chuyển hóa dầu thực vật thành ester dầu thực vật, nó là sản phẩm phản ứng giữa dầu thực vật và cồn, có độ nhớt thấp hơn dầu thực vật nhưng cao hơn diesel chút ít, chỉ số cetan cao hơn dầu thực vật thậm chí một số loại có chỉ số cetan cao hơn diesel Chính vậy, biodiesel có những ưu thế nhất định khi sử dụng trên động cơ diesel

Nhiều nước trên thế giới như Ấn Độ, Trung Quốc, Malaysia, Nigeria đã nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh hoc phổ biến trên động cơ đốt trong Đối với nhiên

liệu biodiesel, Ấn Độ đã thử nghiệm các pha trộn Bio-Jatropha với DO theo tỷ lệ khối lượng: 25% Bio-Jatropha + 75% DO ; 50% Bio-Jatropha + 50% DO và 75% Bio-Jatropha + 25% DO Kết quả động cơ khi sử dụng các hỗn hợp trên có hiệu suất nhiệt tăng nhẹ, nhiệt độ khí thải giảm, phát thải CO2 giảm, phát thải NOX tăng nhẹ, độ đục khí thải giảm so với khi sử dụng DO [29] Trong trường hợp các pha trộn Bio-Jatropha với DO theo tỷ lệ khối lượng: 25% Bio-Jatropha + 75%, 50% Bio-Jatropha + 50% DO

và 75% Bio-Jatropha + 25% DO có thêm phụ gia Multi-DM-32, kết quả động cơ làm việc tốt, êm dịu khi sử dung nhiên liệu hỗn hợp, hiệu suất nhiệt tăng nhẹ so với DO Nhiệt độ khí thải khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp thấp hơn so với DO Khí thải CO2thấp hơn, CO thấp ở tải cao, NOX tăng nhẹ so với DO, độ đục khí thải thấp hơn nhiều

so với DO Bởi phụ gia Multi-MD-32 có khả năng làm giảm sức căng bề mặt nhiên liệu, giúp nhiên liệu phun sương tốt hơn, cải thiện quá trình đốt cháy và hiệu suất của động cơ [28]

Bên cạnh việc sử dụng nhiên liệu biodiesel, hiện nay trên thế giới đã nhiều nghiên cứu về sử dụng dầu thực vật cho động cơ đốt trong, dầu thực vật cũng được khuyến khích dùng làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel đặc biệt ở các vùng nông thôn, vùng sông lạch góp phần giúp cho người dân chủ động hơn về nhiên liệu tại chổ Từ những năm 1970, nhiều công trình nghiên cứu về nhiên liệu sinh học đã được thực hiện, các cải tiến động cơ diesel để làm cho chúng hoạt động phù hợp với dầu thực vật thô hay dầu thực vật tinh khiết và động cơ phun trực tiếp Elsbett là động

cơ đầu tiên trên thế giới đã sử dụng dầu thực vật làm nhiên liệu thay thế Đối với dầu thực vật thô, các nhà khoa học Ấn Độ sử dụng các pha trộn theo thể tích: 10% Jatropha + 90% ; 20% Jatropha + 80% DO ; 30% Jatropha + 70% DO ; 40% Jatropha + 60%

DO ; 50% Jatropha + 50% DO ; 75% Jatropha + 25% DO và 100% Jatropha kết hợp tận dụng nhiệt khí xả để sấy nóng nhiên liệu hỗn hợp từ 90÷1000C Kết quả động cơ có tiêu hao nhiên liệu riêng lớn hơn khi sử dụng DO, Khí thải HC, COx, độ đục khí thải cao hơn Nhiệt độ khí thải khi sử dụng Jatropha cao hơn so với DO Kết quả tìm được

ở mức J10, J20 tiêu hao nhiên liệu riêng tăng nhẹ so DO, độ đục khí thải tương đương với DO [27] Tuy nhiên, các nghiên cứu này thử nghiệm ở các tỷ lệ pha trộn dầu Jatropha khá cao, chưa thử nghiệm ở các tỷ lệ dầu jatropha thấp

Như vậy, để có thể sử dụng dầu thực vật trực tiếp trên động cơ, người ta đã xử

lý độ nhớt của dầu tương đương với diesel bằng nhiều phương pháp khác nhau hoặc

kết hợp với cải thiện tính tự cháy của nhiên liệu bằng cách sử dụng chất phụ gia Procetane hay Multi-DM-32.

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, nguồn nhiên liệu sử dụng cho động cơ đốt trong chủ yếu là nhiên liệu truyền thống Những năm gần đây, đã có chuyển biến mạnh mẽ trong chính sách quốc gia tạo điều kiện cho các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học Trong các cơ sở đi đầu trong lĩnh vực này phải kể đến như: Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng, Đại học Bách khoa TP HCM, Trường Đại học Nha Trang, Tổng công ty Dầu khí Việt Nam, Công ty Phát triển phụ gia - Sản phẩm dầu mỏ

Đối với bio-ethanol, các nghiên được thực hiện theo hai hướng: cải tiến, cải hoán một số bộ phận của hệ thống nhiên liệu để sử dụng trực tiếp ở dạng nguyên chất

và pha trộn để tạo hỗn hợp nhiên liệu mới Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng sử dụng nhiên liệu pha ethanol bắt đầu từ những năm 1990, đã thực hiện nghiên cứu với các hướng cải tiến bộ chế hoà khí xe máy, xe ô tô để hoà trộn xăng và cồn ethanol (nồng độ >95%) ở dạng khí (dùng hai bộ chế hoà khí riêng rẽ hoặc dùng buồng phao kép và hai kim côn) nhằm nâng cao độ đồng nhất của hỗn hợp trong buồng đốt động

cơ Dùng ngọn lửa cháy mồi của tia phun dầu diesel để đốt cháy riêng cồn ethanol Tuy nhiên, hướng nghiên cứu này mới chỉ dừng ở thử nghiệm nhỏ và triển khai thực tế chưa rộng rãi

Đối với Biodiesel, Phân viện Khoa học Vật liệu tại TP HCM đã dùng phản ứng transeste hóa điều chế dầu biodiessel từ dầu hạt cao su, xúc tác axit, tác chất ethanol

[5] GS Vũ An, Đào Văn Tường Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam dùng phản ứng

transeste để điều chế BDF từ dầu cọ, xúc tác kiềm, tác chất là methanol dùng phương pháp khuấy gia nhiệt [3] GS Đinh Thị Ngọ, Nguyễn Hữu Trịnh Trường Đại học Bách khoa Hà Nội tập trung vào xúc tác dị thể, kiềm,… để điều chế BDF từ mỡ cá, dầu nành, dầu thực vật [5], [23] PGS Phan Minh Tân Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia TP.Hồ Chí Minh: BDF từ dầu dừa, dầu thải, mỡ cá basa ; phương pháp hóa học, xúc tác kiềm, enzyme, p-toluen sunfonic [8], [9] Hiện nay, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP Hồ Chí Minh đang nghiên cứu đề tài sản xuất BDF từ dầu hạt jatropha sử dụng phương pháp hóa học và hóa siêu âm; xúc tác kiềm: KOH, NaOH; tác chất: methanol, ethanol Nhiều công trình nghiên cứu được ứng dụng trong thực tế,

Công ty Agifish An Giang xây dựng nhà máy chế biến BDF công suất 30.000 lít/ngày Công ty TNHH Minh Tú (Cần Thơ) đầu tư hơn 12 tỉ đồng xây dựng nhà máy sản xuất BDF từ mỡ cá Tháng 8/2006, hệ thống thiết bị sản xuất nhiên liệu BDF từ dầu ăn phế thải công suất 2 tấn/ngày được triển khai tại Công ty Phú Xương (TP.HCM)

Về thử nghiệm biodiesel, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP HCM thử nghiệm bio-jatropha trên máy phát điện động cơ diesel, khi tỷ lệ bio-jatropha tăng trong hỗn hợp nhiên liệu với dầu diesel thì nồng độ phát thải của khí CO, SO2 và hợp chất CxHy giảm, ngược lại nồng độ các khí NO,NO2 và CO2 tăng Trường Đại học Bách khoa TP HCM đã nghiên cứu ứng dụng biodiesel dầu dừa trên các tàu sông công suất nhỏ, kết quả tiêu hao nhiên liệu của động cơ tăng khi tăng tỷ lệ biodiesel dầu dừa với dầu diesel [3]

Về thử nghiệm dầu thực vật, một số kết quả nghiên cứu của Thạc sỹ Phùng Minh Lộc, Trường Đại học Nha Trang thử nghiệm ethanol pha vào dầu dừa kết hợp với sấy nóng hỗn hợp 800C làm nhiên liệu chạy động cơ diesel D12, động cơ có buồng đốt trực tiếp, kết quả suất tiêu hao nhiên liệu của nhiên liệu của động cơ hỗn hợp tăng

so với dầu diesel Thử nghiệm hỗn hợp 15% dầu hỏa pha với 85% dầu dừa được sấy nóng ở 600C kết hợp với phụ gia nano fuel bosster làm nhiên liệu chạy động cơ diesel D12 Kết quả cho thấy tiêu hao nhiên liệu riêng của động cơ đối với hỗn hợp khi có sử dụng chất phụ gia thấp hơn khi không có phụ gia và khi sử dụng 100% dầu diesel [13] Tuy nhiên, các nghiên cứu này chưa đề cập đến việc đánh giá chỉ tiêu khí thải của động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu thay thế

Về chính sách vĩ mô, Chính phủ phê duyệt triển khai đề án TTg ngày 20/11/2007 phát triển nhiên liệu sinh học, vốn ngân sách nhà nước chi cho việc triển khai, thực hiện các nội dung của đề án đến năm 2015, dự kiến khoảng 259,2

QĐ177/2007/QĐ-tỷ đồng cho các nhiệm vụ nghiên cứu cơ bản, nghiên cứu ứng dụng Về cơ chế, chính sách, trong giai đoạn 2007-2015, đầu tư sản xuất NLSH được xếp vào danh mục lĩnh

vực đặc biệt ưu đãi đầu tư

Nhìn chung, khó khăn lớn nhất của chúng ta là nguồn nguyên liệu và trình độ công nghệ Nguồn nguyên liệu cho sản xuất lớn chưa được đầu tư đúng mức Các cơ

sở sản xuất dầu mỡ động, thực vật có công nghệ thiết bị tách dầu, mỡ lạc hậu, tỷ lệ thu hồi thấp Khó khăn về nguồn nhân lực lành nghề, các chuyên gia kỹ thuật cao, đầu tư cho nghiên cứu còn nhiều hạn chế, chưa có sự phối hợp chặt chẽ giữa các ngành có

liên quan trong việc nghiên cứu triển khai và ứng dụng các kết quả nghiên cứu vào thực tiễn sản xuất; chưa có hệ thống pháp lý hoàn chỉnh; các hoạt động hợp tác quốc tế còn quá ít và chưa đạt được hiệu quả mong muốn

Tóm lại, bên cạnh đầu tư vĩ mô về vùng nguyên liệu, cơ sở hạ tầng chế biến, nghiên cứu chuyển giao công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học, việc nghiên cứu thử nghiệm dầu thực vật sử dụng đặc biệt là dầu jatropha trên động cơ diesel công suất nhỏ

là việc làm cần thiết, hợp với xu thế chung của xã hội để có đánh giá đầy đủ hơn về khả năng sử dụng dầu jatropha về mặt kinh tế, môi trường nhằm có khuyến cáo, khuyến nghị về việc phổ biến sử dụng dầu jatropha trên động cơ diesel cũng như chủ trương của Chính phủ về phát triển vùng nguyên liệu, đầu tư cơ sở hạ tâng công nghệ chế biến dầu jatropha

1.2 NHIÊN LIỆU CÓ KHẢ NĂNG DÙNG CHO ĐỘNG CƠ DIESEL CÔNG SUẤT NHỎ

1.2.1 Khí dầu mỏ hóa lỏng

Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) là loại nhiên liệu lỏng được tạo ra từ việc nén các loại khí thu được trong quá trình chế biến dầu mỏ như: propane (C3H8) và butane (C4H10) được nén hoá lỏng Khí hoá lỏng có nhiệt trị thể tích lớn hơn khí chưa hoá lỏng, tương đương 73% so với xăng cao cấp

Bảng 1.1 So sánh tính năng khí hóa lỏng với dầu diesel [1], [2]

- Xupap nhanh mòn hơn do trạng thái cháy “khô” hơn

- Chưa được sử dụng rộng rãi

- Nhiệt trị thể tích thấp hơn diesel gần 38%, công suất giảm 5,8% sau khi chuyển đổi nhiên liệu dẫn khi dùng LPG đến hiệu suất thấp hơn dùng dầu diesel Khi sử dụng LPG trên động cơ diesel cần cải tạo động cơ cho phù hợp Khi sử dụng LPG kết hợp với diesel, phải dùng LPG phun mồi trước khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp diesel - LPG Cho nên, cần phải cải tạo hệ thống cấp nhiên liệu và một số tính năng khác của động cơ Với lý do như trên, đề tài không chọn LPG là nhiên liệu pha trộn với diesel chạy trên động cơ diesel

1.2.2 Khí thiên nhiên

Khí thiên nhiên (CNG) thành phần chủ yếu là metan (CH4), chiếm thể tích từ 98% Metan có thể được nén lại hoặc hóa lỏng ở nhiệt độ dưới -1620C, có trữ lượng lớn và ít ô nhiễm môi trường nên metan được sử dụng rộng rãi

81-Bảng 1.2 So sánh tính năng khí thiên nhiên với diesel [1], [2]

Giới hạn cháy của hỗn hợp metan - không khí rộng (0,34-2,0)

Áp suất nén 200Kg/cm2, cao hơn LPG hơn 10 lần nên khả năng chứa gọn

Tỷ lệ C/H: ¼, nhỏ bằng ½ xăng nên khi cháy ít sản sinh CO2 hơn xăng, muội khói than ít hơn

1.2.2.2 Nhược điểm

- Tỷ trọng thấp, khi nén đến 20Mpa (200Kg/cm2) thì lộ trình một lần bơm gas chỉ bằng ¼ so với xăng

- An toàn thấp, giá thành thiết bị cung cấp đắt, giá thành CNG đắt

Tóm lại, việc sử dụng CNG trên động cơ đốt trong thân thiện môi trường nhưng đòi hỏi phải cải tạo nhiều hệ thống và kết cấu động cơ, do vậy chi phí sẽ cao nên nghiên cứu này không sử dụng CNG làm nhiên liệu để chạy thử nghiệm

1.2.3 Ethanol

Ethanol (C2H5OH) là một rượu no đơn chức, là chất lỏng không màu, vị cay, khi bị đốt cháy nó tạo ngọn lửa xanh trong, tan tốt trong nước với bất kỳ tỷ lệ pha trộn nào Ethanol được chế biến bằng cách lên men tinh bột hoặc phương pháp khác, trong công nghiệp thì nó được điều chế chủ yếu từ xenlulô Khác với methanol, ethanol không gây nhiễm độc cho con người và động vật

Từ những năm 1970, các nước trên thế giới đã quan tâm đến việc sử dụng cồn cho động cơ diesel, các nhà khoa học đã có nhiều công trình nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ diesel-alcohol để tìm ra phương pháp cung cấp, tổ chức hỗn hợp và đốt cháy cồn trong động cơ diesel

Bảng 1.3 Đặc tính lý hoá cơ bản của ethanol, methanol và diesel [2], [3]

Khối lượng riêng, (kg/dm3)

Nhiệt trị, (kJ/kg) 26950 20000 43900 Nhiệt độ tự cháy, (oC) 423 464 180÷240 A/F, (kgKK/kgNL) 9,00 6,47

37,5 12,6 49,9

- Pha trộn ethanol sinh học với dầu diesel trong thành phần hỗn hợp nhiên liệu làm tăng hàm lượng oxy, quá trình cháy tốt, khí thải thấp hơn so với nhiên liệu diesel

- Thân thiện môi trường hơn dầu diesel

1.2.4 Methanol

Methanol (CH3OH) là chất lỏng trong suốt có mùi đặc trưng, tan tốt trong nước với bất kỳ tỷ lệ pha trộn nào, được sản xuất bằng cách chưng khô gỗ hoặc tổng hợp từ than và hydrogen Khác với ethanol, methanol có thể gây nhiễm độc nặng cho cơ thể con người và động vật khi thâm nhập vào cơ thể

1.2.4.1 Ưu điểm

- Methanol là một hợp chất đơn giản, không chứa lưu huỳnh Methanol tinh khiết thải rất ít benzen và các mạch vòng hydrocacbon thơm

- Methanol có khối lượng phân tử (32kg/kmol) nhỏ hơn ethanol (56kg/kmol) nên

có khả năng bay hơi rất tốt

- Khả năng cháy sạch nên giảm thiểu các chất gây ô nhiễm

- Là nhiên liệu tái sinh và dể sản xuất

- Tính ngấm của ethanol khác với methanol Trong cơ thể, ethanol nhanh chóng

bị oxi hóa thành cacbondioxit và nước còn methanol thì không Methanol một khi đã hấp thụ vào cơ thể thì chỉ bị khử rất chậm hình thành Formaldehyde (HCOH) là chất độc và là tác nhân gây bệnh ung thư

Việc sử dụng methanol trên động cơ diesel có khả năng làm giảm hiệu suất động

cơ, hiệu quả kinh tế không cao, chất có khả năng gây độc nên không phù hợp để chọn lựa làm nhiên liệu cho động cơ diesel

1.2.5 Nhiên liệu sinh học

1.2.5.1 Dầu thực vật

Dầu thực vật là dầu được chiết suất từ các hạt, quả có dầu và chúng ta đặc biệt quan tâm đến những cây có dầu với chiết suất lớn như: đậu phộng, đậu nành, nho, hạt bông, hướng dương, dừa nhưng đáng quan tâm nhất là jatropha bởi nó là cây có hạt không ăn được, thích nghi với nhiều loại thổ nhưỡng nên không cạnh tranh với đất trồng cây lương thực, có chiết suất dầu khá lớn (50÷60%) Dầu thực vật làm nhiên liệu cho động cơ có hai loại: sản phẩm dầu thực vật điều chế trực tiếp từ các hạt, trái, cây

có dầu và sản phẩm từ dầu thực vật qua ester hóa

Bảng 1.4 Thành phần các axit béo của các loại dầu [19]

Thành phần hóa học của chúng nói chung gồm 95% các triglyceride và 5% các axid béo tự do Triglyceride là các triester tạo bởi phản ứng của các axit béo trên ba chức rượu của glycerol Trong phân tử của chúng có chứa các nguyên tố H, C, và O Thành phần các axit béo của dầu jatropha kết quả phân tích tại bảng 21 (phụ lục 2)

Bảng 1.5 Thành phần hóa học của các loại dầu [19], [23], [18]

Về thành phần hóa học, đối với dầu thực vật so với dầu diesel: lượng chứa C ít hơn 10÷12%, lượng chứa H ít hơn 5÷13% còn lượng O thì lớn hơn rất nhiều (dầu diesel chỉ có vài phần ngàn O, dầu thực vật có 9÷11% O) [17], nên dầu thực vật là nhiên liệu oxy Chính vậy, dầu thực vật có thể làm việc với lượng dư không khí nhỏ

b Đặc tính dầu thực vật

- Khối lượng riêng

Khối lượng riêng của dầu thực vật thường nhỏ hơn nước nhưng lớn hơn dầu diesel từ 6÷17% [19] Khối lương riêng dầu thực vật d20 P = 0,907÷0,971, dầu có nhiều thành phần hydrocacbon và càng no thì tỷ trọng càng cao [15]

- Tính tan của dầu thực vật

Dầu không phân cực, nên chúng tan rất tốt trong dung môi không phân cực, không tan trong nước Độ tan của dầu trong dung môi phụ thuộc vào nhiệt độ [15]

Độ nhớt của dầu ảnh hưởng lớn đến khả năng thông qua của dầu trong bầu lọc, đến chất lượng phun nhiên liệu và hòa trộn hỗn hợp do đó ảnh hưởng mạnh đến tính kinh tế và hiệu quả của động cơ

Bảng 1.6 Một số tính chất cơ bản của dầu thực vật [17],[23], [24], [25], [26]

Loại dầu Khối lượng

riêng (g/cm3)

Độ nhớt (Cst) (ở 200C)

Chỉ số Cêtan

Điểm đục (0C)

Điểm chớp lửa (0C)

Nhiệt trị (Mj/kg) /(Kcal/kg)

- Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ đông đặc

Các dầu khác nhau có thành phần hóa học khác nhau nên nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ đông đặc cũng khác nhau

- Sức căng bề mặt

Ở nhiệt độ thường thì sức căng bề mặt của dầu thực vật cao hơn so với dầu diesel nhưng ở nhiệt độ cao thì giảm nhanh và đạt giá trị gần bằng dầu diesel

- Đường cong bay hơi

Về khả năng bay hơi, đối với dầu thực vật so với dầu diesel thì điểm bắt đầu bay hơi thấp hơn (130÷1500C), điểm kết thúc bay hơi cao hơn (360÷3750C) Nhiều loại dầu thực vật trong khoảng nhiệt độ 200÷2800C đường cong bay hơi gần trùng với diesel, nhưng vượt quá 2800C thì chúng lại thấp hơn Điểm đáng lưu ý là dầu thực vật không hoàn toàn bay hơi hết, đây chính là nguyên nhân gây đóng cặn trên buồng cháy

c Các phương pháp xử lý dầu làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong

Ảnh hưởng của độ nhớt làm cho hệ thống nhiên liệu hoạt động không bình thường, làm chất lượng của quá trình phun và cháy kém hơn nên các chỉ tiêu của động

cơ diesel sẽ giảm đi khi sử dụng dầu thực vật Cho nên, để sử dụng dầu thực vật làm

nhiên liệu cần áp dụng các biện pháp xử lý dầu để tính chất của nó gần giống với nhiên liệu diesel, chủ yếu làm giảm độ nhớt của dầu thực vật bằng các phương pháp sau:

- Phương pháp sấy nóng nhiên liệu

Phương pháp này dựa trên đặc tính thay đổi của độ nhớt theo nhiệt độ, độ nhớt sẽ giảm khi nhiệt độ tăng Trong khoảng nhiệt độ từ 30÷80oC sẽ làm độ nhớt thay đổi nhiều, khi nhiệt độ vượt trên 80oC thì độ nhớt thay đổi rất ít Để đạt được độ nhớt của hỗn hợp nhiên liệu cần tăng nhiệt độ lên đến 800C

Nhược điểm của phương pháp này là quá trình tăng nhiệt độ lên quá cao làm thay đổi trạng thái nhiệt và ảnh hưởng không tốt đến hệ thống cấp nhiên liệu Mặt khác phương pháp này không cải thiện được trị số cetan của dầu thực vật…Do đó phương pháp này chỉ thích hợp để áp dụng đồng thời với phương pháp khác (kết hợp pha loãng với nhiên liệu khác có độ nhớt thấp hơn), nhằm mục đích tăng khả năng lưu thông của dầu thực vật, đặc biệt khi động cơ làm việc trong môi trường có nhiệt độ thấp

- Phương pháp pha loãng với nhiên liệu khác để có độ nhớt thích hợp:

Pha loãng với nhiên liệu khác theo tỷ lệ nào đó để được hỗn hợp nhiên liệu mới

có độ nhớt thích hợp, là giải pháp đơn giản làm giảm độ nhớt, dễ dàng thực hiện ở mọi qui mô Có thể sử dụng nhiên liệu diesel để làm môi chất pha loãng hoặc có thể dùng alcohol để pha loãng, pha trộn được tiến hành bằng phương pháp cơ học, không đòi

hỏi thiết bị phức tạp, hỗn hợp nhận được bền vững và ổn định trong thời gian dài Pha

loãng không chỉ làm giảm độ nhớt của dầu thực vật mà nó còn cải thiện được một số chỉ tiêu khác của dầu như: trị số cetan lớn hơn, nhiệt độ đông đặc thấp hơn

Nhược điểm lớn nhất của giải pháp này là khi tỷ lệ dầu thực vật, mỡ động vật lớn hơn 50% thì không thích hợp, bởi vì lúc này độ nhớt của hỗn hợp lớn hơn độ nhớt nhiên liệu diesel nhiều và đây là khó khăn khi sử dụng với tỷ lệ dầu thực vật, mỡ động vật cao làm nhiên liệu Pha loãng diesel với dầu thực vật, mỡ động vật; hỗn hợp 10% dầu thực vật, mỡ động vật có độ nhớt gần bằng diesel và thể hiện tính năng kỹ thuật tốt đối với động cơ diesel [18]

- Phương pháp craking

Quá trình cracking dầu thực vật, mỡ động vật gần giống với quá trình cracking dầu mỏ Nguyên tắc cơ bản của quá trình là cắt ngắn mạch hydrocacbon của dầu thực vật, mỡ động vật bằng tác dụng của nhiệt và chất xúc tác thích hợp Sản phẩm của quá

trình cracking dầu thực vật, mỡ động vật thông thường gồm: khí (hydrocarbon), xăng, nhiên liệu DO và sản phẩm phụ là glycerin sử dụng trong ngành dược và mỹ phẩm Nhiên liệu có được sau quá trình craking có tính chất gần giống với nhiên liệu diesel Craking có thể thực hiện trong môi trường không khí hoặc trong môi trường khí trơ D.Pioch và các tác giả khác tiến hành cracking 100 kg dầu cọ và thu được 20 kg xăng có trị số octan là 86, khối lượng riêng 0,75 g/cm3 ; 30kg DO có khối lượng riêng 0,82 g/cm3 ; 33kg khí có nhiệt trị là 10000 kcal/kg và chứa khoảng 90% hydrocacbon

Nhược điểm của phương pháp là thiết bị sử dụng trong quá trình rất đắt, sử dụng nhiều năng lượng để điều chế nhiên liệu, khó thực hiện ở qui mô nhỏ và sản phẩm gồm nhiều dạng nhiên liệu khác nhau [18] Phương pháp này đòi hỏi trình độ cao nên về lâu dài cần phải nghiên cứu để ứng dụng công nghệ này vào trong sản xuất

- Phương pháp nhũ tương hoá dầu

Nguyên liệu ban đầu là dầu thực vật hay mỡ động vật, rượu và chất tạo sức căng

bề mặt Với thiết bị tạo nhũ có thể tạo ra nhũ tương dầu thực vật, mỡ động vật - rượu trong đó các hạt rượu có kích thước hạt khoảng 150 µm được phân bố đều trong nhũ tương [18]

Ưu điểm của phương pháp này là nhiên liệu dạng nhũ có độ nhớt tương đương dầu diesel, tỷ lệ rượu càng lớn thì độ nhớt của nhũ tương càng giảm Tuy nhiên, lúc đó

dễ tạo ra các hạt nhũ tương nhỏ, khả năng phân lớp của các hạt nhủ tương tăng lên Kết quả là nhũ tương kém đồng nhất và cần thiết phải áp dụng các biện pháp bảo quản nhũ tương trong thời gian dài

Nhược điểm của phương pháp này là khó khăn trong việc tạo và duy trì nhũ, lọc nhiên liệu và do rượu bay hơi (nhiệt độ hóa hơi của rượu thấp) làm cản trở hoạt động bình thường của hệ thống cấp nhiên liệu cho động cơ [18] Phương pháp này không phù hợp với điều kiện thực hiện đề tài

- Phương pháp transeste hóa điều chế BDF

Phản ứng transeste hóa là quá trình thay thế một phân tử rượu từ este bởi một phân tử rượu khác tạo ra sản phẩm là ba este của axit béo và một glycerin Đây là phản ứng thuận nghịch, những yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng là nhiệt độ phản ứng, tỷ lệ mol alcol/dầu, xúc tác, hàm lượng xúc tác, thời gian phản ứng, tốc độ khuấy… Ngoài

ra còn có hàm lượng axit béo tự do trong dầu, hàm lượng nước trong thành phần dầu

ban đầu Các alcol thường dùng trong phản ứng transeste là methanol, ethanol…trong

đó methanol thích hợp cho phản ứng transete hóa hơn

Có nhiều phương pháp thực hiện phản ứng transeste hóa, như: phương pháp hóa học, là phương pháp cổ điển, phương pháp này dễ thực hiện, có thể đạt phản ứng hoàn toàn nhưng thời gian khá dài ; phương pháp siêu âm, hiện nay, thế giới đang tập trung nghiên cứu phương pháp này vì có ưu điểm là rút ngắn thời gian phản ứng đồng thời

độ chuyển hóa của phản ứng tương đối cao ; phương pháp vi sóng là phương pháp áp dụng cho phản ứng transeste hóa cho độ chuyển hóa cao và thời gian phản ứng ngắn

Hình 1.1 Phản ứng este hóa dầu thực vật, mỡ động vật

Tóm lại, phương pháp transeste hóa là phương pháp không quá phức tạp, quá trình phản ứng tạo ra sản phẩm este có tính chất hóa lý gần giống nhiên liệu diesel Hơn nữa, các este có thể được đốt cháy trực tiếp trong buồng đốt của động cơ và khả năng hình thành cặn thấp [18] Tuy nhiên, phương pháp này không thích hợp trong điều kiện thực hiện đề tài, chỉ áp dụng trong nghiên cứu, sản xuất nhiên liệu

1.2.5.2 Nhiên liệu biodiesel

Bảng 1.7 Một số tính chất cơ bản của biodiesel [2], [19]

Điểm chớp lửa

(0C)

Nhiệt trị

(MJ/kg)

Methyl dầu jatropha 0,875 4,638 2-4 191 38,50

a Biodiesel

Biodiesel Fuel (viết tắt: BDF) là những mono ankyl ester của các axit béo thu được từ nguyên liệu ban đầu là dầu thực vật hoặc mỡ động vật Dưới tác dụng của chất xúc tác, dầu thực vật với methanol hoặc ethanol cho sản phẩm ester + glycerine + axit béo Thông thường biodiesel được sử dụng dưới dạng nguyên chất hay hỗn hợp với

dầu diesel do đặc tính thuận lợi của dầu diesel sinh học gần với diesel, tuy nhiên cần

có điều chỉnh nhỏ động cơ và hệ thống nhiên liệu

b Đặc tính của biodiesel

Tính chất vật lý của về biodiesel gần tương tự như diesel nhưng tốt hơn về mặt khí thải Biodiesel khắc phục được các nhược điểm của dầu thực vật là độ nhớt cao, chỉ số cetan thấp Khác với dầu diesel, dầu thực vật và biodiesel có tỷ lệ % trọng lượng oxy khá lớn nên khả năng cháy với dư lượng không khí thấp

Hình 1.2 Sơ phương pháp ester hóa

1.2.5.3 Nhận xét chung về dầu thực vật và biodiesel

Ưu điểm của dầu thực vật, biodiesel là có thể pha trộn với dầu diesel thành hỗn hợp sử dụng trong động cơ diesel mà không có thay đổi lớn về động cơ Điểm chớp cháy cao nên an toàn trong bảo quản và vận chuyển Việc sản xuất đơn giản, chí phí đầu tư thấp, có thể sản xuất mọi lúc mọi nơi Nó không chứa lưu huỳnh (hoặc rất bé), không chứa hydrocacbon thơm, kim loại hoặc dư lượng dầu thô Dầu thực vật, biodiesel là một nhiên liệu oxy nên có thể cháy với dư lượng không khí nhỏ

Nhược điểm chung của nó so các nhiên liệu khác là việc sử dụng dầu nhiên liệu sinh học này có thể dẫn đến lão hóa các chi tiết bằng cao su trong hệ thống cấp nhiên liệu, gây cặn trong buồng đốt do hàm lượng cặn cacbon trong nhiên liệu cao

Tuy nhiên, so với biodiesel thì dầu thực vật có ưu điểm là dễ tìm kiếm, giá thành tương đối, chấp nhận được nhưng có nhược điểm là độ nhớt cao, chỉ số cetan thấp Với

mục tiêu đề tài là nghiên cứu pha trộn dầu thực vật ở tỷ lệ thích hợp kết hợp sấy nóng nhiên liệu thì vấn đề độ nhớt đã đươc giải quyết, tuy nhiên chỉ số cetan còn thấp hơn diesel chút ít nhưng vẫn đảm bảo để nghiên cứu thử nghiệm

1.2.6 Sơ bộ kết luận về chọn lựa nhiên liệu thay thế - dầu jatropha

Nguồn nhiên liệu có thể thay thế để sử dụng trên động cơ có nhiều loại như: khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG), khí thiên nhiên (CNG), ethanol, dầu thực vật, biodiesel Tuy nhiên, để chọn lựa và sử dụng loại nhiên liệu thay thế cần xét đến các yếu tố cũng như điều kiện thực tế Việt Nam, khả năng thực hiện đề tài

- Thứ nhất, có thông số vật lý phù hợp với động cơ sử dụng, khi sử dụng loại nhiên liệu thay thế không phải cải tạo động cơ hoặc ít thay đổi

- Thứ hai, nhiên liệu sử dụng phải có khả năng phát nhiệt lớn, khả thi về mặt kỹ thuật, có khả năng cạnh tranh kinh tế, giảm thiểu phát thải độc hại ra môi trường

- Thứ ba, có chính sách vĩ mô về đầu tư phát triển vùng nguyên liệu, sản xuất và chế biến nhiên liệu

- Thứ tư, chi phí sản xuất nhiên liệu thấp, nhiên liệu dễ tìm kiếm để sử dụng cho các động cơ diesel công suất nhỏ trong sản xuất nông nghiệp, đánh bắt thủy sản

Dầu thực vật có nhiều loại khác nhau, tuy nhiên để phù hợp thực tế về tính mới của đề tài, khả năng khả thi về mặt kỹ thuật thực hiện, hiệu quả về kinh tế - môi trường cũng như phù hợp với điều kiện thực tế cơ sơ vật chất kỹ thuật phục vụ nghiên cứu, đề tài tiến hành lựa chọn, sử dụng nguyên liệu dầu thực vật trong đó dầu jatropha là hướng ưu tiên chọn lựa Lý do chọn lựa dầu thực vật là dầu jatropha trong hỗn hợp nhiên liệu dầu diesel - jatropha:

* Điểm thuận lợi cho quá trình cháy là dầu jatropha so các loại dầu thực vật khác

nó có chỉ số cetan cao nên khả năng tự bốc cháy tốt hơn, nhiệt trị lớn hơn nên hiệu suất nhiệt tốt hơn

* Điểm hạn chế của dầu jatropha đến quá trình cháy và hướng giải quyết:

- Độ nhớt cao ảnh hưởng đến tính lưu động của nhiên liệu, khả năng phun tơi và

“tán nhuyễn” của nhiên liệu trong không khí nén, ảnh hưởng đến chất lượng hình thành hỗn hợp và quá trình cháy Vấn đề độ nhớt cao được giải quyết bằng phương pháp pha loãng với diesel kết hợp với sấy nóng nhiên liệu

- Giống như các loại dầu thực vật khác, thành phần hóa học của dầu jatropha chủ yếu là triglycerit của glycerin và axit béo, đây là nguyên nhân gây nên độ nhớt cao làm nhiên liệu khó bay hơi, tạo lớp sơn mụi trong quá trình cháy

- Nhiệt độ tự cháy lớn nên nhiên liệu khó cháy hơn, tuy nhiên nhiệt độ tự cháy phụ thuộc tỷ lệ pha trộn của dầu diesel trong hỗn hợp

- Tính bay hơi của nhiên liệu thấp làm ảnh hưởng đến chất lượng tạo hỗn hợp trong buồng cháy và có thể làm giảm khả năng cháy không hoàn toàn của nhiên liệu Tính bay hơi của nhiên liệu phụ thuộc vào sức căng bề mặt và độ nhớt, vấn đề này

được giải quyết một phần bằng phương pháp pha loãng kết hợp sấy nóng

Từ các phân tích trên, nhiên liệu thay thế chọn lựa và sử dụng thử nghiệm trên động cơ diesel công suất nhỏ là dầu jatropha pha trộn với dầu diesel kết hợp với sấy nóng nhiên liệu trước khi phun vào buồng đốt là phù hợp với mục tiêu nghiên cứu của

đề tài

Chương 2

CƠ SỞ SỰ LỰA CHỌN HỖN HỢP DO – JATROPHA

LÀM NHIÊN LIỆU

2.1 NHIÊN LIỆU DIESEL

2.1.1 Khái quát về nhiên liệu diesel

Diesel là nhiên liệu được chưng cất từ dầu mỏ có thành phần tương đối nặng chứa khoảng 80÷90% ankan và xycloankan Đây là các hydrocacbon no, các nguyên

tử cacbon liên kết với nhau theo mạch thẳng nên các mạch C dễ gây phản ứng hoá học làm cho nó dễ tự cháy Các tính chất chủ yếu của nhiên liệu có ảnh hưởng đến tính năng kỹ thuật và sử dụng động cơ diesel đó là: độ nhớt, tính tự cháy và tính bay hơi Tính tự cháy nhiên liệu diesel được đánh giá bởi hai thông số: nhiệt độ tự cháy và trị

số cetan Tính bay hơi của nhiên liệu phụ thuộc vào sức căng bề mặt và độ nhớt, tính

bay hơi của nhiên liệu được đánh giá thông qua các chỉ số như: thành phần điểm sôi, tỷ trọng, màu sắc nhiên liệu

Bảng 2.1 Tiêu chuẩn Việt Nam về dầu DO (TCVN 5689: 2005)

Hàm lượng tro, % khối lượng D 482 2690:1995 0.01 max

Hàm lượng nước và tạp chất cơ học,

Ngoài các chỉ số trên, người ta còn đánh giá chất lượng của dầu diessel qua các chỉ số như: tỷ trọng, thành phần cất, nhiệt độ chớp cháy, nhiệt độ bén lửa, điểm đông đặc, điểm vẩn đục, hàm lượng lưu huỳnh, vanadi… Chỉ tiêu về hàm lượng lưu huỳnh (S) liên quan trực tiếp đến khí thải động cơ diesel, khi cháy tạo SO2 gây ăn mòn kim loại Vanadi cháy sinh ra V2O5, ở nhiệt độ nóng chảy (550 oC) V2O5 bám trên bề mặt chi tiết kim loại gây hiện tượng mục rỉ

2.1.2 Một số vấn đề môi trường khi sử dụng dầu diesel

Nhiên liệu diesel chủ yếu đuợc lấy từ hai nguồn chính là quá trình chưng cất trực tiếp dầu mỏ và sản phẩm phụ của quá trình cracking xúc tác Các thành phần phi hydrocacbon tương đối cao, như các hợp chất lưu huỳnh, nitơ, nhựa, asphanten [15] Các thành phần này khi sử dụng làm nhiên liệu cho hoạt động của các máy móc, phương tiện giao thông vận tải không những gây tác hại cho động cơ mà còn thải ra môi trường một lượng lớn các khí gây hại như SO2, NOx, COx, cùng một số hợp chất hidrocacbon dể bay hơi, bồ hóng và các kim loại nặng như chì, cadimi Đây là các tác nhân chính gây ô nhiễm không khí và tổn hại đến sức khỏe cộng đồng Cụ thể:

- SO2 là chất khí không màu, có mùi hăng cay khi nồng độ trong khí quyển là 1ppm SO2 là một chất khí ô nhiễm điển hình, có khả năng hòa tan trong nước cao hơn các khí gây ô nhiễm khác nên dễ phản ứng với cơ quan hô hấp của người và động vật Khi hàm lượng thấp, SO2 làm sưng niêm mạc, khi hàm lượng cao (>0,5mg/m3) SO2 gây tức thở, ho viêm lét đường hô hấp

SO2 làm thiệt hại mùa màng, làm nhiễm độc cây trồng Mưa axit gây ô nhiễm đất, nước bởi SO2 và SO3 trong khí quyển Không khí bị ô nhiễm do SO2 và SO3 có thể làm bạc màu các tác phẩm nghệ thuật, ăn mòn kim loại và làm giảm độ bền các vật liệu vô cơ, hữu cơ Ngoài ra, ô nhiễm SO2 còn làm giảm tầm nhìn trong khí quyển

- CO là chất khí không màu, không mùi Khí này là sản phẩm oxy hóa không hoàn toàn nhiên liệu Hàm lượng của CO phụ thuộc vào tỷ lệ không khí/nhiên liệu Hỗn hợp giàu nhiên liệu sẽ thải ra hàm lượng CO cao, hỗn hợp nghèo nhiên liệu sẽ thải ra hàm lượng CO thấp Tác hại của khí CO đối với con người và động vật xảy ra khi nó tác dụng với hồng cầu (hemoglobin) trong máu, tạo thành một hợp chất bền vững làm giảm hồng cầu từ đó làm giảm khả năng hấp thụ oxy của hồng cầu để nuôi dưỡng tế bào cơ thể Con người nhạy cảm với CO hơn là động thực vật Ngộ độc CO nhẹ (<1% CO) để lại di chứng hay quên, thiếu máu Ngộ độc nặng gây ngất, lên cơn

giật, liệt tay chân và có thể dẫn đến tử vong trong vài phút khi nồng độ CO vượt quá 2% Thực vật khi tiếp xúc với CO ở nồng độ cao (100÷10000 ppm) sẽ bị rụng lá, xoăn quăn, cây non chết yểu

- CO2 vốn có trong thành phần không khí sạch nhưng có thể được phát sinh khi đốt cháy hoàn toàn nguyên, nhiên liệu chứa cacbon Khí CO2 ở nồng độ thấp không gây nguy hiểm cho người và vật nhưng ở nồng độ cao sẽ là chất nguy hại Trên phạm

vi toàn cầu thì khi hàm lượng CO2 trong khí quyển tăng cao sẽ dẫn tới hiện tượng tăng nhiệt độ của trái đất do “hiệu ứng nhà kính”

- NOx gồm khí NO và NO2 là hai thành phần quan trọng có vai trò nhất định trong quá trình hình thành khói quang hóa và gây ô nhiễm môi trường

NOx tạo ra trong quá trình cháy và tăng khi nhiệt độ tăng Nhiệt độ càng tăng cao, lượng Nitơ có trong không khí sẽ kết hợp với oxy tạo ra nhiều NOx [15] Khí NO

là khí không màu, không mùi, không tan trong nước NO có thể gây nguy hiểm cho cơ thể do tác dụng với hồng cầu trong máu, làm giảm khả năng vận chuyển ôxy gây bệnh thiếu máu

Khí NO2 là chất khí màu nâu nhạt,rất dễ hấp thụ bức xạ tử ngoại, dễ hòa tan trong nước và tham gia vào phản ứng quang hóa NO2 là loại khí có tính kích thích, khi tiếp xúc với niêm mạc, tạo thành axit qua đường hô hấp hoặc hòa tan vào nước bọt rồi vào đường tiêu hóa, sau đó vào máu ở hàm lượng 15÷50ppm, NO2 gây nguy hiểm cho tim, phổi và gan

NO2 tác dụng với hơi nước trong khí quyển tạo thành HNO3, axit này ngưng tụ

và tan trong nước, theo mưa rơi xuống mặt đất, gây nên mưa axit làm thiệt hại cây cối

và mùa màng… Ngoài ra, khí NOx có thể làm phơi thuốc nhuộm vải, làm hư hỏng vải bông, ăn mòn kim loại và sinh ra các phân tử nitrat

- Hydrocacbon là sản phẩm do nhiên liệu không cháy hết, cháy không hoàn toàn là do một số nguyên nhân như tỷ lệ không khí/nhiên liệu quá giàu, hòa khí ít có khả năng tiếp cận với màng lửa nên nhiên liệu cháy không hết hoặc do hiện tượng cháy không bình thường Hợp chất hydrocacbon gồm nhiều loại từ các hợp chất hữu

cơ đơn giản như metan tới hydrocacbon thơm, alđehyt, este, hợp chất hữu cơ của halogen cũng như hợp chất hữu cơ có chứa liên kết lưu huỳnh hoặc nitơ Các hợp chất hữu cơ thường rất độc đối với cơ thể người và động vật Một số hợp chất hữu cơ như benzen, PAH (hợp chất hydrocacbon thơm đa nhân) có thể là nguyên nhân gây bệnh

ung thư Một số hợp chất hữu cơ halogen là xúc tác cho quá trình phân hủy ozon ở tầng bình lưu Một số chất hữu cơ hoạt tính lại xúc tiến cho quá trình phân hóa vật chất

và đặc biệt là một số chất hữu cơ gây ô nhiễm do mùi như các mecaptan và aldehyt

- Chì (Pb): Chì trong không khí tồn tại ở dạng bụi có đường kính hạt cực bé nên

có thể xâm nhập vào cơ thể người qua da hoặc đường hô hấp, gây ảnh hưởng tới hoạt động trao đổi ion ở não đặc biệt nó tác động lên hệ thần kinh làm trẻ em chậm phát triển trí tuệ

- Cadimi (Cd) tồn tại ở dạng bụi, gây phản ứng thiếu vitamin và chất khoáng,

ảnh hưởng tới hoạt động của thận nếu nhiễm độc lâu

- Bồ hóng là chất ô nhiễm đặc biệt quan trọng trong khí xả động cơ diesel Nó

tồn tại dưới dạng những hạt rắn có đường kính trung bình khoảng 0,3mm nên rất dễ xâm nhập sâu vào phổi Sự nguy hiểm của bồ hóng, ngoài việc gây trở ngại cho cơ quan hô hấp như bất kì một tạp chất cơ học nào khác có mặt trong không khí, nó còn là nguyên nhân gây ra bệnh ung thư do các hydrocarbure thơm mạch vòng (HAP) hấp thụ trên bề mặt của chúng trong quá trình hình thành

Quá trình cháy khuếch tán trong động cơ diesel rất thuận lợi cho việc hình thành bồ hóng Sự cháy của hạt nhiên liệu lỏng trong khi chúng dịch chuyển trong buồng cháy cũng như sự tập trung cục bộ hơi nhiên liệu ở những vùng có nhiệt độ cao là nguyên nhân chính sản sinh bồ hóng Quá trình cháy khuếch tán, do đặc điểm phân bố nhiên liệu không đồng nhất, việc khống chế quá trình cháy của nó gặp nhiều khó khăn hơn so với qua trình cháy của hỗn hợp đồng nhất Do sự phân bố hỗn hợp không đồng nhất mà trong sản phẩm cháy của ngọn lửa khuếch tán luôn tồn tại những sản phẩm cháy không hoàn toàn đặc biệt quan tâm đến bồ hóng Bồ hóng trong khí

xả là một trong những yếu tố chính giới hạn khả năng ứng dụng của động cơ diesel hiện nay Mặc dù các nhà khoa học và các nhà sản xuất động cơ đã quan tâm rất nhiều đến việc nghiên cứu vấn đề này nhưng đến nay người ta vẫn chưa tìm ra được một giải pháp kỹ thuật nào hữu hiệu nhằm hạn chế nồng độ bồ hóng trong giới hạn cho phép của các quy định về bảo vệ môi trường TCVN 5418-91 và TCVN 6438-98 về độ khói trong khí xả động cơ diesel

Sự hình thành bồ hóng trong ngọn lửa khuếch tán trước tiên phụ thuộc vào nhiên liệu Nhiên liệu có thành phần C càng cao thì nồng độ bồ hóng càng lớn Yếu tố thứ hai ảnh hưởng đến nồng độ bồ hóng là nồng độ nhiên liệu và nồng độ oxygene

Sự hình thành bồ hóng chủ yếu là do quá trình cháy không hoàn toàn của nhiên liệu Khi hỗn hợp nghèo và được phân bố đồng nhất thì nồng độ bồ hóng rất bé, có thể bỏ qua Nồng độ oxygene ảnh hưởng đến sự oxy hóa bồ hóng sau khi chúng được hình thành do đó cũng ảnh hưởng đến nồng độ bồ hóng cuối cùng có mặt trong sản phẩm

cháy Yếu tố thứ ba ảnh hưởng đến sự hình thành bồ hóng là sự phân bố nhiệt độ

trong ngọn lửa Nhiệt độ cao ở vùng giàu nhiên liệu sẽ thuận lợi cho việc hình thành

bồ hóng Ngược lại nhiệt độ cao ở vùng thừa oxygène sẽ thuận lợi cho việc oxy hóa

bồ hóng Nồng độ bồ hóng thoát ra khỏi ngọn lửa khuếch tán là hiệu số giữa lượng bồ hóng hình thành và lượng bồ hóng bị oxy hóa

Thành phần hạt bồ hóng phụ thuộc vào tính chất nhiên liệu, dầu bôi trơn, đặc điểm của quá trình cháy, dạng động cơ cũng như t ì n h t r ạ n g k ỹ t h u ậ t c ủ a đ ộ n g

c ơ Thành phần bồ hóng trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có thành phần lưu huỳnh cao khác với thành phần bồ hóng trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh thấp Bồ hóng bao gồm các thành phần chính sau đây:

- Carbon: Thành phần này ít nhiều phụ thuộc vào nhiệt độ cháy và hệ số dư lượng không khí trung bình, đặc biệt là khi động cơ hoạt động ở chế độ đầy tải hoặc quá tải

- Dầu bôi trơn không cháy: Đối với động cơ cũ thành phần này chiếm tỉ lệ lớn Lượng dầu bôi trơn bị tiêu hao và lượng hạt bồ hóng có quan hệ với nhau

- Nhiên liệu chưa cháy hoặc cháy không hoàn toàn: Thành phần này phụ thuộc vào nhiệt độ và hệ số dư lượng không khí

- Sun phát: do lưu huỳnh trong nhiên liệu bị oxy hóa và tạo thành SO2 hoặc SO4

- Các chất khác: lưu huỳnh, calci, sắt, silicon, chromium, phosphor, các hợp chất calci từ dầu bôi trơn

Theo báo cáo của các nhà khoa học, ô nhiễm do giao thông vận tải sản sinh ra gần 2/3 lượng khí COx, 1/2 các hợp chất hydrocacbon và khí oxit nitơ Trong đó, CO2

là khí nhà kính quan trọng đối với sự biến đổi khí hậu do nồng độ khí CO2 chiếm ưu thế trong khí quyển [3] Hiện nay, nguồn nhiên liệu thế giới đang sử dụng chủ yếu từ dầu mỏ, trong đó có hơn 90% dùng cho giao thông và phát điện Trong khi đó, nguồn nhiên liệu này đang ngày càng cạn kiệt

Từ những lý do trên, ta thấy được nhu cầu cần thiết của việc tìm nguồn nhiên liệu mới thay thế dầu DO nhằm giảm hàm lượng các chất thải gây ô nhiễm môi trường

Hiện nay, song song với xu hướng nghiên cứu nhiên liệu biodiesel, xu hướng sử dụng trực tiếp dầu thực vật đang được nhiều nước trên thế giới tiến hành và đưa vào ứng dụng

2.2 DẦU JATROPHA VÀ KHẢ NĂNG DÙNG JATROPHA LÀM NHIÊN LIỆU 2.2.1 Giới thiệu về cây jatropha và dầu jatropha

2.1.1.1 Giới thiệu về cây jatropha

Tên khoa học: Jatropha curcas.L Họ: Thầu dầu (Euphorbiaceae)

Tên khác: Cây diesel, Dầu mè, Ngô đồng, Dầu lai, Đậu cọc rào

Tên tiếng Anh: Physic nut

Hình 2.1 Cây và hạt jatropha

Jatropha curcas.L (gọi tắt là: jatropha) là cây bụi, vỏ xám nhẵn, có nhựa loãng, màu hơi ngà Cây Jatropha có nguồn gốc từ Châu Phi, Bắc Mỹ và vùng biển Carribê, được nhu nhập vào Việt Nam từ rất lâu, được trồng làm hàng rào Jatropha là cây lâu niên, có thể cao đến 5 mét, là cây bụi lớn, có chu kỳ sống đến 50 năm, khả năng cộng sinh với nấm rễ Mycorrhizal cao, nên có thể sinh trưởng tốt trên những vùng đất suy thái, khô cằn, hoang hóa

Cây thường cao 3÷5 mét, trong các điều kiện thích hợp cây có thể cao từ 8÷10 mét Lá rộng xanh hoặc xanh nhạt, 3 hoặc 5 lá đối nhau xoắn ốc quanh trục Cuống lá

từ 6÷23 cm Cụm hoa ở nách lá, hoa đơn tính và hoa cái thường to hơn hoa đực, ra hoa vào mùa hè Cây thụ phấn nhờ côn trùng, đặc biệt là ong mật Quả hình thành vào mùa đông khi có sự rụng lá hoặc hình thành quả trong năm nếu có độ ẩm tốt và nhiệt độ thích hợp tương đối cao Mỗi cụm hoa cho khoảng 10 bầu quả Vỏ quả hình thành sau khi hạt trưởng thành và thịt quả khô Hạt trưởng thành sau khoảng 2÷4 tháng khi vỏ quả chuyển từ xanh sang vàng [8] Hạt có vỏ hơi đen, hình thuôn dài Cây có thể sống đến 50 năm và khai thác trong vòng 30÷40 năm

Theo vùng khí hậu, jatropha thường thấy ở các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới, mặc dù sống tốt ở vùng nhiệt độ thấp và có thể chịu lạnh nhẹ Nhu cầu nước rất thấp

và có thể chịu hạn trong một thời gian dài bằng cách rụng lá để giảm lượng thoát hơi nước Thích hợp với độ cao đến 500m, nhiệt độ trung bình: 20÷280C, lượng mưa trung bình 300÷1.000 mm Sinh trưởng trên đất thoát nước và thoáng khí, thích nghi với vùng đất khó canh tác do nghèo dinh dưỡng Jatropha sinh trưởng ở hầu khắp các nơi, thậm chí trên cả đất sỏi, đất cát và đất mặn Jatropha là loài cây chịu hạn, có khả năng thích nghi rộng nhưng tiềm năng sinh trưởng của chúng thể hiện ưu thế nhất trên đất khô và nghèo kiệt, thích hợp cho việc cải tạo và phủ xanh vùng đất hoang hóa Tuy nhiên, vấn đề chọn giống, kỹ thuật trồng và điều kiện khí hậu, thổ nhưỡng ảnh hưởng lớn đến chất lượng của dầu Jatropha, hiện nay, chưa có công trình khoa học nào nghiên cứu đầy đủ về các mối quan hệ này được công bố

Hiện nay, cây jatropha được gây trồng dưới hai hình thức phổ biến là trồng phân tán và trồng rừng tập trung trên diện rộng Braxin, Ấn Độ và gần đây là Trung Quốc cũng là nước đang phát triển mạnh cây jatropha với diện tích trồng dự kiến hàng triệu hécta Ở Việt Nam, jatropha có mặt từ rất sớm, mọc nhiều ở những vùng núi, chủ yếu được người dân trồng để làm hàng rào Hiện nay, jatropha được trồng ở một số tỉnh như: Đồng Nai, Bình Thuận, Thanh Hóa, Lai Châu, Sơn La, Thừa Thiên Huế, Quảng Nam… trên các vùng đất gò đồi hoang hóa

2.1.1.2 Một số ưu điểm của cây jatropha

Jatropha là cây đa mục đích, các phần của cây đều có giá trị, tuy nhiên sản phẩm quan trọng nhất là hạt để lấy dầu sinh học Năng suất dầu thu được trên 01 ha lớn do cây có khả năng tạo hạt có hàm lượng dầu cao, rải vụ tốt Cây cho năng suất hạt khoảng 0,8 kg/m2/năm Hàm lượng dầu của hạt jatropha khoảng 30÷40% [30] Cây jatropha ít bị sâu bệnh, chịu hạn, có thể trồng trên vùng có lượng mưa thấp và có vấn

đề về đất Với các đặc điểm đó, nó có thể được sử dụng để cải tạo các vùng đất thoái hóa hoặc nhiều vùng đất khác nhau [30] Dầu ép từ hạt jatropha có thể pha chung với diesel từ dầu mỏ với các tỷ lệ tự do đến 20% Đặc tính diesel sinh học từ cây jatropha

là có nhiều oxy trong phân tử và rất ít lưu huỳnh nên khí cháy thải ra giảm thiểu khí gây hiệu ứng nhà kính và khí gây ung thư

2.2.2 Các tính chất của dầu jatropha

2.2.2.1 Tính chất hóa lý của dầu jatropha

Dầu Jatropha có màu vàng nhạt, đặc như mỡ khi ở nhiệt độ thấp, không thể chưng cất được bởi chúng bị phân hủy kể cả khi chưng cất dưới áp suất thấp Độ nhớt dầu jatropha cao nhất trong các loại dầu thực vật Dầu jatropha không tan trong nước, rượu 95% nhưng tan nhiều trong các dung môi hữu cơ như: chlorphorm, benzen, rượu nguyên chất

Bảng 2.2 Thông số hóa lý cuả dầu Jatropha [19]

Chất lượng axit béo được biểu thị bằng các chỉ số lý hóa học đặc trưng, như: chỉ

số axit thể hiện số mg KOH trung hòa axít béo có trong 1 gam chất béo; chỉ số xà phòng hóa thể hiện tổng số mg KOH để trung hòa hết lượng acid béo tự do và xà phòng hóa hết lượng ester trong 1 g chất béo; chỉ số Iot phản ánh số gam iot (I2) cộng vào nối đôi C = C có trong 100g chất béo

2.2.2.2 Thành phần hóa học của dầu Jatropha

Trong hạt Jatropha hàm lượng dầu chiếm khoảng từ 30÷40%, trong nhân chiếm 50÷60% Hàm lượng dầu trong hạt là chỉ tiêu đánh giá chất lượng của dầu thực vật, trong đó các loại axit béo trong dầu đóng vai trò quan trong quyết định tính chất dầu

Bảng 2.3 Thành phần axit béo trong dầu hạt Jatropha

Thành phần hóa học của dầu chủ yếu là triglycerit của glycerin và axit béo chiếm khoảng 90÷95% Axit béo của dầu Jatropha gồm axit béo bão hòa và chưa bão hòa Kết quả phân tích tại bảng 21 (phụ lục 3), dầu jatropha chứa khoảng 22,8% axit béo no (bão hòa) và 77,2% axit béo không no Axit béo trong dầu chủ yếu là các axit: panmitic 14,4%, stearic 7,2%, oleic 42,0 % và linoleic 34,5%

Các liên kết nối đôi trong axit béo thể hiện tính chưa no của axit béo trong dầu jatropha, hiện diện của các nối đôi càng lớn thì nhiệt độ nóng chảy càng thấp Đối với dầu từ mỡ động vật, có ít nối đôi (có số gốc axit no nhiều hơn dầu thực vật) nên nhiệt

độ nóng chảy của nó lớn hơn dầu thực vật Các axit béo không no có hàm lượng Cacbon cao, khi cháy có ánh sáng mờ hơn nhưng nhiệt tỏa ra cao hơn các axit béo no

và hàm lượng bụi sau cháy cao hơn

Các axít béo không no phân cực, axít béo no không phân cực hoặc phân cực rất kém Tuy nhiên, do các axit béo no và không no đều mang gốc COOH nên chúng có phân cực rất kém Chính vậy, dầu Jatropha không phân cực nên nó tan tốt trong dung môi không phân cực Ngoài các phản ứng hóa học, các axít béo không no tham gia các phản ứng cộng hợp để trở thành axít béo no

Ngoài triglyceride, axit béo tự do (FFA) chiếm khoảng 4÷5%, trong thành phần của dầu jatropha còn có chứa một số hợp chất màu, các độc tố và còn có cả các hợp chất sinh học khác có trong thành phần của cây trồng với hàm lượng rất thấp so với thành phần acid béo Hàm lượng acid béo tự do phụ thuộc vào giống cây trồng, thổ nhưỡng và điều kiện canh tác, thường chiếm dưới 5% khối lượng dầu Hàm lượng axit béo tự do có trong dầu làm giảm hiệu suất phản ứng transeste hóa dầu thực vật, để làm tăng hiệu suất phản ứng người ta phải hạ chỉ số axit của dầu trước khi đưa vào phản ứng transeste hóa

2.2.2.3 Tính chất hóa học của dầu jatropha

Giống như các loại dầu thực vật khác, thành phần hóa học của dầu cũng chủ yếu là triglycerit của glycerin và axit béo

- Phản ứng đồng phân hóa:

Dưới tác dụng của bazơ hòa tan trong rượu thích hợp (butanol chẳng hạn để có thể đưa nhiệt độ lên cao), có sự đồng phân hóa các nối kép để tiến từ vị trí cũ không liên hợp tới vị trí mới liên hợp, phản ứng này làm gia tăng tính khô của dầu Sự đồng

phân còn có thể thực hiện với chất xúc tác thích hợp (Ni, C, nhiệt độ 1700C, AL2O3tăng hoạt, nhiệt độ 2500C, antraquinon, 2800C trong ống kín)

- Phản ứng oxy hóa:

Những dầu có chứa nhiều axit béo không no dễ bị oxy hóa Đa số trường hợp phản ứng xảy ra ở những mạch nối đôi Tùy thuộc vào bản chất oxy hóa và điều kiện phản ứng mà tạo thành các sản phẩm oxy hóa không hoàn toàn như: Peroxide, cetoaerd hay các sản phẩm đứt mạch có phân tử lượng bé

- Phản ứng xà phòng hóa và thủy phân:

Dưới tác dụng của kiềm, triglyceride bị phân giải mối liên kết este tạo thành glycerin và muối acid béo Dưới sự hiện diện của nước và hơi nước, dầu béo bị thủy phân giải phóng axit và glycerin Phản ứng có sự tham gia xúc tác của các vô cơ hay enzyme, phản ứng này làm tăng lượng axit béo tự do trong dầu

- Phản ứng alcohol hóa:

Trong môi trường axit và bazơ, phản ứng trao đổi este điều xảy ra giữa dầu béo

và alcohol Đây là phản ứng căn bản để biến đổi triglyceride thành este metyl của axit béo, để có thể phân tích thành phần hóa học bằng phương pháp sắc ký khí

|

CH OH

+

1 2 3

|

CH OH

+

1 2 3

|

CH OH