Nhiên liệu Diesel (DO – Diesel Oil) là một loại nhiên liệu lỏng, nặng hơn dầu lửa và xăng, sử dụng chủ yếu cho động cơ Diesel (đường bộ, đường sắt, đường thủy) và một phần được sử dụng cho các tuabin khí (trong công nghiệp phát điện, xây dựng…).Nhiên liệu Diesel được sản xuất chủ yếu từ phân đoạn gazoil và là sản phẩm của quá trình chưng cất trực tiếp dầu mỏ, có đầy đủ những tính chất lý hóa phù hợp cho động cơ Diesel mà không cần phải áp dụng những quá trình biến đổi hóa học phức tạp.1.2.Động cơ diesel.Động cơ Diesel: được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp như dùng làm động cơ cho ô tô vận tải, đầu máy xe lửa, tàu thủy, máy nông nghiệp, … Động cơ Diesel được sản xuất thành nhiều loại, với kích thước, công suất, tốc độ khác nhau, … dẫn đến yêu cầu về nhiên liệu cũng khác nhau. Việc chọn loại nhiên liệu phù hợp là không đơn giản, phụ thuộc nhiều yếu tố, trong đó quan trọng nhất phải kể đến: kích thước và cấu trúc của động cơ; tốc độ và tải trọng; tần suất thay đổi tốc độ và tải trọng; bảo dưỡng; giá và khả năng cung cấp nhiên liệu.
Trang 1SO SÁNH CÁC LOẠI NHIÊN LIỆU TRUYỀN THỐNG VÀ NHIÊN
LIỆU MỚI SỬ DỤNG CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
I NHIÊN LIỆU DIESEL.
1 Nhiên liệu diesel.
I.1 Giới thiệu về nhiên liệu diesel
Nhiên liệu Diesel (DO – Diesel Oil) là một loại nhiên liệu lỏng,nặng hơn dầu lửa và xăng, sử dụng chủ yếu cho động cơ Diesel(đường bộ, đường sắt, đường thủy) và một phần được sử dụng chocác tuabin khí (trong công nghiệp phát điện, xây dựng…)
Nhiên liệu Diesel được sản xuất chủ yếu từ phân đoạn gazoil và làsản phẩm của quá trình chưng cất trực tiếp dầu mỏ, có đầy đủnhững tính chất lý hóa phù hợp cho động cơ Diesel mà không cầnphải áp dụng những quá trình biến đổi hóa học phức tạp
I.2 Động cơ diesel
Động cơ Diesel: được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp như
dùng làm động cơ cho ô tô vận tải, đầu máy xe lửa, tàu thủy, máynông nghiệp, … Động cơ Diesel được sản xuất thành nhiều loại, vớikích thước, công suất, tốc độ khác nhau, … dẫn đến yêu cầu vềnhiên liệu cũng khác nhau Việc chọn loại nhiên liệu phù hợp làkhông đơn giản, phụ thuộc nhiều yếu tố, trong đó quan trọng nhấtphải kể đến: kích thước và cấu trúc của động cơ; tốc độ và tải trọng;tần suất thay đổi tốc độ và tải trọng; bảo dưỡng; giá và khả năngcung cấp nhiên liệu
Loại Tốc độ (V/ph) Điều kiện vận hành Phạm vi sử dụng
Tốc độ thấp Nhỏ hơn375 Tải trọng lớn, tốc độ không đổi. Máy đẩy tàu thủy,máy phát điện.
Tốc độ trung
Tải trọng khá cao, tốc độ tương đối ổn định
Máy phụ của tàuthủy, máy phátđiện cố định, bơm
Tốc độ cao Lớn hơn1000 Tốc độ và tải trọng thay đổi. Giao thông vậntải, xe lửa, máy
xây dựng
Trang 2Thông thường các động cơ diesel hoạt động với tốc độ gần khôngđổi và thường có tải trọng cao hơn động cơ xăng.
Sự khác nhau về kích thước, tốc độ quay, dẫn đến yêu cầu vềnhiên liệu của mỗi loại động cơ diesel cũng khác nhau Vì vậy, việcchọn loại nhiên liệu phù hợp là không đơn giản, nó phụ thuộc nhiềuvào yếu tố, quan trọng nhất là:
- Kích thước và cấu trúc của động cơ
- Tốc độ và tải trọng
- Tần suất thay đổi tốc độ và tải trọng
- Bảo dưỡng
- Giá và khả năng cung cấp nhiên liệu
Xuất phát từ phân loại đối với động cơ nêu trên, tiêu chuẩn MỹASTM D975 phân loại nhiên liệu Diesel thành 03 loại: N01D, N02D,
N04D
- Loại N01D : bao gồm lớp nhiên liệu Diesel dễ hóa hơi từ dầu lửađến các phần cất trung bình Nhiên liệu nằm trong phạm vi này đượcdùng cho các động cơ có tốc độ cao và cho những phương tiện cótốc độ và tải trọng thường xuyên thay đổi, đặc biệt dùng trongtrường hợp khi nhiệt độ nhiên liệu xuống thấp không bình thường
- Loại N02D : bao gồm lớp nhiên liệu Diesel có độ hóa hơi thấphơn Nhiên liệu loại này dùng cho các động cơ có tốc độ cao của cácphương tiện có tải trọng lượng tương đối lớn và tốc độ đều, hoặcdùng cho các động cơ không yêu cầu nhiên liệu có độ hóa hơi cao vànhững tính chất khác được quy định cho N01D
- Loại N04D : bao gồm lớp nhiên liệu Diesel với các phần cất có
độ nhớt cao hơn và hỗn hợp các phần cất đó với các nhiên liệuDiesel còn lại Nhiên liệu loại này dùng cho các động cơ tốc độ thấp
và trung bình trên các phương tiện chịu tải trọng lâu dài ở tốc độ ổnđịnh đáng kể
Tiêu chuẩn TCVN 5689:2005 qui định các chỉ tiêu chất lượng chonhiên liệu dầu DO dùng cho động cơ Diesel của phương tiện giaothông cơ giới đường bộ và các động cơ Diesel dùng cho mục đíchkhác
1 Hàm lượng lưu huỳnh, mg/kg,
TCVN 6701:2000 (ASTM D2622)
/ASTM D5453
Trang 32 Chỉ số xêtan (*) , min 46 ASTM D4737
/ASTM D4530
7 Điểm đông đặc, 0C, max + 6 TCVN 3753:1995 (ASTM D97)
8 Hàm lượng tro, % khối lượng,
14.Ngoại quan Sạch, trong ASTM D 4176
(*) Phương pháp tính chỉ số xêtan không áp dụng cho các loại dầu điêzen có phụ gia cải thiện
trị số xêtan
(**) 1 mm2/s = 1 cSt
Tiêu chuẩn TCCS 03:2009/PETROLIMEX là tài liệu quy định cácyêu cầu về đặc tính kỹ thuật của sản phẩm nhiên liệu Diesel (DO)được phân phối bởi Petrolimex trên thị trường, đã được lãnh đạo Tậpđoàn Xăng dầu Việt Nam phê duyệt và công bố để sử dụng cho nhucầu sản xuất kinh doanh của Petrolimex
Tên chỉ tiêu
Mức
Phương pháp thửDO
0,05S 0,25SDO
1 Hàm lượng lưu huỳnh,
TCVN 6701:2007 (ASTM D2622-05) /TCVN 7760:2008 (ASTM D5453-06) /TCVN 3172:2008 (ASTM D4294-06)
2 Chỉ số xêtan (*) , min
Hoặc trị số xêtan, min 4646 4646
TCVN 3180:2007 (ASTM D4737-04)
TCVN 7630:2007 (ASTM
Trang 45 Độ nhớt động học ở
40 0C, cSt,
min-max
2,0 4,5 2,0 –5,0 TCVN 3171:2007 (ASTM D445-06)
-6 Cặn cácbon của 10 % cặn
chưng cất, % khối lượng,
TCVN 6324:2006 (ASTM D189-05)
/ASTM D4530
7 Điểm đông đặc, 0C, max + 6 + 6 TCVN 3753:2007 (ASTM D97-05a)
/ASTM D5950
8 Hàm lượng tro, % khối
lượng, max 0,01 0,01 TCVN 2690:2007 (ASTM D 482-03)
11.Độ bôi trơn, µm, max 460 - TCVN 7758:2007 (ASTM D6079-04e1)
(*) Phương pháp tính chỉ số xêtan không áp dụng cho các loại nhiên liệu có phụ gia cải thiện trị số xê tan
2 Các chỉ tiêu chất lượng của diesel.
Muốn động cơ diesel làm việc ổn định thì nhiên liệu diesel phải đảm bảo các chỉ
tiêu chất lượng sau:
2.1 Thành phần chưng cất phân đoạn
Thành phần cất (độ bay hơi) của cac hydrocacbon trong nhiênliệu nói chung thường có ảnh hưởng rất lớn đối với tính năng củađộng cơ diesel, đặt biệt là các động cơ diesel tốc độ trung bình vàtốc độ cao, chúng có ảnh hưởng quan trọng đến tính an toàn
Thành phần cất được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D86 Nhiệt độ sôi 10% đặctrưng cho phần nhẹ dễ bay hơi của nhiên liệu Nhiệt độ này cao qua sẽ làm cho động
cơ khó khởi động Nhiệt độ sôi 50% thì chỉ tiêu hay dùng nhất để đánh giá nhiên liệudiesel, nó đặc trưng cho khả năng thay đổi tốc độ của động cơ Nhiệt độ sôi 90%vànhiệt độ sôi cuối đặc trưng cho khả năng cháy hoàn toàn của nhiên liệu
Các tiêu chuẩn kĩ thuật của các sản phẩm dầu mỏ nói chung đều phải bao gồm cácgiới hạn để khẳng định các sản phẩm đó độ hoá hơi phù hợp
2.2 Tỷ trọng
Trang 5Tỷ trọng là đại lượng đặc trưng cho độ nặng nhẹ, đặc chắc của nhiên liệu, được đobằng khối lượng trên một đơn vị thể tích nhiên liệu.Tỷ trọng được dùng để tính toán,chuyển đổi giữa thể tích và khối lượng, để chuyển đổi giữa thể tích ở nhiệt độ này đếnnhiệt độ khác Tỷ trọng được xác định theo tiêu chuẩn ASTM-D1298.
So với các chỉ tiêu khác thì tỷ trọng không phải là yếu tố quan trọng để đánh giáchất lượng của nhiên liệu, Tuy nhiên nó cũng có ý nghĩa nhất định Nếu hai nhiên liệu
có cùng giới hạn nhiệt độ sôi thì nhiên liệu nào có tỷ trọng cao hơn thì thường có hàmlượng hydrocacbon thơm và naphthenic nhiều hơn Các nhiên liệu có tỷ trọng thấpthường có chứa nhiều parafin.Nhiệt tri (trên một đơn vị khối lượng) của nhiên liệucũng có xu hướng giảm khi tỷ trọng tăng
Để cải thiện chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu người ta thường dùng một số chấtphụ gia như Alkyl Nitrate và Nitrite làm tăng trị số cetan, các chất hạ nhiệt độ đôngđặc làm tăng độ linh hoạt ở nhiệt độ thấp, các chất phụ gia chống tạo khói làm giảmlượng khói thải ra môi trường Ngoài ra cũng có thể sử dụng các chất tẩy rửa và chốngoxy hoá
2.3 Nhiệt trị
Nhiệt tri của nhiên liệu là lượng nhiệt toả ra khi đốt cháy hoàn toàn một đơn vịkhối lượng nhiên liệu Nhiệt trị được xác định theo phương pháp thử ASTM-D240Đối với mỗi loại nhiêt liệu đều có hai loại nhiệt trị: Nhiệt trị tổng và nhiệt trị thực.Hai giá trị này khác nhau ở chỗ nhiệt trị tổng bao gồm cả nhiệt do hơi nước ngưng tụphát ra, trong khi nhiệt trị thực khong bao gồm giá tri này
Với cùng một chế độ động cơ, công do động cơ phát ra (hay năng lượng do động
cơ phát ra) phụ thuộc vào nhiệt trị của nhiên liệu Nhiệt trị càng cao, cong suất cànglớn Do đó, nhiệt trị của nhiên liệu ảnh hưởng trực tiếp đến tính kinh tế của thiết bị sửdụng nhiên liệu
2.4 Độ nhớt động học
Độ nhớt là khả năng cản trở chuyển động nội cảu chất lỏng Nó được đo bằng cáchghi lại thời gian cần thiết để một lượng chất lỏng nhất định chảy qua một mao quản cókích thước nhất định Độ nhớt động học được xác định ở 400C theo phương phápASTM-D445 (TCVN 3171-1995)
Độ nhớt của nhiên liệu diessel rất quan trọng vì nó ảnh hưởng đến khả năng bơm
và phun nhiên liệu vào buồng đốt Độ nhớt của nhiên liệu có ảnh hưởng đến kích thước và hình dạng của kim phun Nhiên liệu có độ nhớt quá cao rất khó nguyên tử hoá, các tia nhiên liệu không mịn và khó phân tán đều trong buồng đốt
Nhiên liệu có độ nhớt càng thấp khi được phun vào xylanh sẽ tạo thành các hạt mịn, không thể tới được các vùng xa kim phun và do đó hỗn hợp (nhiên liệu-không khí)
Trang 6Tạo thành trong xylanh không đồng nhất, nhiên liệu cháy không đều, giảm công suất động cơ.
2.5 Hàm lượng lưu huỳnh
Do các điều kiện cháy nổ gần như lý tưởng, hiện tượng ngưng tụ nước và lẫn nhiênliệu nhiều khi không còn là vấn đề quan trọng Điều quan tâm nhất đối với đọng cơdiesel là hàm lượng trong nhiên liệu, vì khi bị đốt cháy, chúng sẽ chuyển thành dioxit
và một phần dioxit trong đó sẽ tiếp tục với oxy hoá tạo thành trioxit Loại lưu huỳnhtrioxit này khi tiếp xúc với nước, dù chỉ với một lượng nhơ lăn trong dầu động cơcũng tạo thành các axit mạnh gây ăn mòn, rỉ các chi tiết của động cơ, làm ảnh hưởngđến độ mài mòn, tạo cặn và đặc biệt sẽ gây ra sự biến chất của dầu nhờn trong độngcơ
- Các chất rắn bị mài mòn: Loại này góp phần mài mòn vòi phun, bơm nhiên liệu, piston và vòng xec măng
- Các xà phòng kim loại tan: ít ảnh hưởng đến độ mài mòn nhưng chúng có thể góp phần vào việc tạo cặn trong động cơ
2.7 Cặn carbon (carbon Conradson):
Cặn cacbon là lượng cặn còn lại sau khi cho bay hơi và nhiệt phân nhiên liệu Cặn cacbon gây nên sự chênh lệch nhiệt độ giữa những điểm có cặn và những điểm không
có cặn làm tăng ứng xuất nội của vật liệu làm buồn đốt, dẫn tới biến dạng và có khi phá huỷ buồng đốt Nếu các mẫu cặn carbon bám trên thành buồn đốt bong ra và theo hỗn hợp khí đi tới buồn giãn nở thì chúng có thể va đập vào cánh tuabin gây ăn mòn đối với cánh tuabin Cặn carbon cũng là nguyên nhân gây hiện tượng khí xả có màu đen và làm giảm hệ số toả nhiệt
Cặn carbon được xác định theo phương pháp ASTM-D189 (TCVN 2704-1978) và được sử dụng rộng rãi đối với các loại nhiên liệu
2.8 An toàn về cháy nổ và không gây ô nhiễm môi trường
Được đánh giá qua nhiệt độ chớp cháy Nhiệt độ chớp cháy là nhiệt độ thấp nhất ởđiều kiện thường mẫu nhiên liệu thí nghiệm bắt cháy ngay khi ngọn lửa xuất hiện và
tự lan truyền một cách nhanh chóng trên toàn bộ bề mặt mẫu Nhiệt độ chớp cháy cốckín được xác định theo ASTM D93
Trang 72.9 Khí thải của nhiên liệu diesel.
Nhiên liệu diesel chủ yếu được lấy từ hai nguồn chính là chưng cất trực tiếp dầu
mỏ và quá trình cracking xúc tác Thông thường bao giờ diesel cũng chứa các hợpchất của lưu huỳnh, nitơ và các chất nhựa và asphalten Những chất này không nhữnggây hại cho động cơ mà còn gây ô nhiễm môi trường rất mạnh Trong tình hình chung
là ngày càng sử dụng rộng rãi động cơ diesel thì sự ô nhiễm càng mạnh Khí thảithường chứa chủ yếu là SO2, NO, NO2, CO, hơi hydrocacbon, mụi cacbon…Đây lànhững chất rất độc hại Khí SO2 ngoài việc gây bệnh cho phổi thì gặp nước thì sẽ tạothành axit và nó chính là nguyên nhân hàng đầu của những trận mưa axit trên khắp thếgiới
Khí CO2 là nguyên nhân gây ra hiệu ứng nhà kính làm trái đất nóng kéo theo biếtbao thiên tai bão gió lụt lội Khí CO sinh ra khi nhiên liệu cháy không hoàn toàn, nó làchất khí không màu không mùi không vị nhưng là chất khí độc đối với con người.Lượng CO khoảng 70 ppm là có thể gây ra triệu chứng đau đầu, mệt mỏi , buồn nôn.Đến 150 – 200 ppm sẽ gây bất tỉnh, mất trí nhớ và có thể chết người
Các thành phần hydrocacbon trong khí thải nhiên liệu diesel đặc biệt là các hợpchất thơm cũng rất có hại cho con người và là nguyên nhân của nhiều căn bệnh nhưung thư, hen suyễn, dị ứng…Các chất muội phân tán cũng gây ô nhiễm mạnh, chúngrất khó nhận biết và là nguyên nhân gây ra bệnh về hô hấp và tim mạch
Trang 8Các nước trên thế giới hiện nay hết sức chú ý cả về hiệu quả lẫn môi trường nên xuhướng chung trong việc nghiên cứu để sản xuất nhiên liệu diesel sạch là nâng cao trị
số xetan và giảm hàm lượng lưu huỳnh đến giá trị nhỏ nhất có thể được, đồng thời mởrộng nguồn nhiên liệu, sản xuất nhiên liệu sạch ít ô nhiễm môi trường
Diesel sinh học (Biodiesel) là một loại nhiên liệu lỏng có tính năng tương tự và có
cách dẫn xuất từ một số loại dầu mỡ sinh học (dầu thực vật, mỡ động vật), thường được thực hiện thông qua quá trình transester hóa bằng cách cho phản ứng với các loạirượu phổ biến nhất là methanol
Tùy theo loại của nguyên liệu cơ bản người ta chia ra thành:
- RME: Mêthyl este của cây cải dầu (Brassica napus)
- SME: Mêthyl este của dầu cây đậu nành hay dầu cây hướng dương
- PME: Mêthyl este của dầu dừa hay dầu hạt cau
Trang 9Bên cạnh đó còn có mêthyl este từ mỡ nhưng chỉ có những sản phẩm hoàn toàn từ dầu thực vật (PME và đặc biệt là RME) là được dùng trong các loại xe diesel hiện đại,khi được các nhà sản xuất cho phép.
Việc sử dụng dầu thực vật như một nhiên liệu thay thế để cạnh tranh với dầu mỏ
đã được bắt đầu từ thập kỷ 80 của thế kỷ trước Những ưu thế của dầu thực vật như cókhả năng tái sinh, hàm lượng lưu huỳnh thấp hơn, hàm lượng chất thơm ít hơn, dễ phân huỷ trong tự nhiên, độ nhớt cao hơn và khả năng bay hơi thấp hơn…là không thểphủ nhận Vấn đề chính liên quan đến việc hạn chế sử dụng trực tiếp dầu thực vật là
độ nhớt Dầu thực vật nhìn chung có độ nhớt cao gấp 10 – 20 lần nhiên liệu diesel
N02D, ngoài ra còn tạo cặn trong động cơ Thậm chí có loại như dầu thầu dầu còn có
độ nhớt cao hơn, gấp 100 lần nhiên liệu diesel N02D Do đó, người ta phải áp dụng một số biện pháp đặc biệt để giải quyết vấn đề độ nhớt cao của dầu thực vật như pha loãng, nhũ hoá, nhiệt phân, cracking xúc tác và metyl este hoá
- Nhũ hoá dầu thực vật: Việc nhũ hoá được thực hiện cho dầu thực vật khi dùng
các chất lỏng không thể hào tan được như etanol hay metanol…để làm giảm độ nhớt của dầu
Chuyển hoá este tạo biodiesel: Quá trình này tạo ra các alkyl este axit béo có tronglượng phân tử và độ nhớt thấp hơn nhiều so với phân tử dầu thực vật ban đầu Trong lượng phân tử của các ester khi đó chỉ bằng 1/3 trọng lượng phân tử dầu thực vật và
có độ nhớt rất thấp, xấp xỉ bằng diesel khoáng Như thế, biodiesel thu được có những
Trang 10Cracking xúc tác dầu thực vật: Việc làm này sẽ tạo ra các alkan, cycloalkan,
alkylbenzen… Tuy nhiên quá trình cracking dầu thực vật đòi hỏi phải tiến hành ở nhiệt độ thấp bởi dầu thực vật không chịu được nhiệt độ cao, cho nên việc chọn ra xúctác thích hợp là việc không đơn giản, hơn nữa việc đầu tư một dây chuyền carcking xúc tác rất tốn kém
- Pha loãng dầu thực vật: Để hạ độ nhớt của dầu thực vật, người ta pha loãng nó
bằng etanol tinh khiết hoặc hỗn hợp 25% dầu hướng dương với 75% dầu khoáng thông thường cũng như thu được nhiên liệu giống như nhiên liệu diesel Độ nhớt của
nó là 4,88 cSt tại 315oK, trong khi theo ASTM thì giá trị lớn nhất là 4,0 cSt tại 3130K.Bởi vậy hỗn hợp này không phù hợp với việc sử dụng lâu dài cho động cơ đốt trong
- Nhiệt phân dầu thực vật: Thực chất là quá trình phân huỷ các phân tử dầu thực
vật bằng nhiệt trong môi trường có oxy để tạo ra alkan, alcadien, acid cacbocylic, hợp chất thơm và một lượng nhỏ sản phẩm khí Quá trình nhiệt phân các hợp chất béo đã được thực hiện cách đây hơn 100 năm ở những nơi không có hoặc có ít dầu mỏ
Sau khi xem xét và phân tích các phương pháp trên, ta thấy phương pháp chuyển hoá tạo este tạo biodiesel là sự lựa chọn tối ưu hơn cả vì các đặt tính vật lý của các metyl este rất gần với nhiên liệu diesel thông thường, hơn nữa quá trình này cũng đơn giản, chi phí không cao Các metyl este có thể cháy trong động cơ với sự tạo cặn rất thấp mà không cần thay đổi chi tiết nào của động cơ
Trang 11Đặc tính của nhiên liệu Biodiesel so với Diesel (IEA, 1996b)
Tính chất, ưu và nhược điểm của biodiesel:
a Các tính chất của biodiesel: Biodiesel là các mon-alkyl este mạch thẳng được
điều chế nhờ phản ứng trao đổi este giữa dầu thực vật với các loại rượu mạch thẳng như metanol và etanol Biodiesel có tính chất vật lý giống như nhiên liệu diesel Tuy nhiên các tính chất của khí thải thì biodiesel tốt hơn dầu diesel Những số liệu được nêu trong bảng 1.9 cho ta một cái nhìn tổng quát về các tính chất vật lý của biodiesel
so với dầu diesel
Sản phẩm cháy của biodiesel sạch hơn nhiều so với diesel khoáng Đặc biệt, với B20 (20% biodiesel , 80% diesel khoáng) có thể sử dụng thẳng trong động cơ mà không cần thay đổi kết cấu của động cơ, thậm chí các động cơ diesel sẽ chạy tốt hơn với B20
b Một số ưu điểm: Biodiesel có những ưu điểm lớn vượt trội so với diesel
khoáng như sau:
- An toàn cháy nổ: Biodiesel có nhiệt độ chớp cháy trên 1100C cao hơn so với diesel khoáng nên nó an toàn hơn trong quá trình tồn chứa và bảo quản
Trang 12- Hàm lượng lưu huỳnh: Biodiesel có hàm lượng lưu huỳnh rất thấp, chỉ khoảng 0,001%, nên khi cháy nó thải ra rất ít SO2 Với đặc tính quý giá như vậy biodiesel đựoc coi là nhiên liệu sạch và thân thiện với môi trường.
- Giảm lượng khí thải độc hại: Theo các nghiên cứu của Bộ Năng lượng Mỹ thựchiện ở một trường đại học của bang Califonia thì việc sử dụng biodiesel tinh khiết thay cho biodiesel khoáng có thể làm giảm 93,6% nguy cơ mắc bệnh ung thư từ khí thải của diesel do biodiesel chứa rất ít các hợp chất thơm và lưu huỳnh nên quá trình cháy của nó triệt để hơn và giảm rất nhiều hydrocacbon trong khí thải
- Có khả năng bôi trơn giảm mài mòn: Biodiesel có khả năng bôi trơn tốt hơn diesel khoáng Ta biết là khả năng bôi trơn của nhiên liệu được đặc trưng bằng một giá trị gọi là HFRR (high frequency receiprocating rig) Giá trị này càng thấp thì khả năng bôi trơn của nhiên liệu càng tốt Diesel khoáng đã xử lý lưu huỳnh có HFRR ≥
500 khi không có phụ gia trong khi giới hạn đặc trưng của diesel là 450 Vì vậy diesel khoáng cần phải được bổ sung phụ gia để tăng bôi trơn Trong khi đó HFRR của biodiesel khoảng 200 và như vậy chính biodiesel sẽ là phụ gia tốt nhất cho diesel khoáng Khi thêm biodiesel vào với tỉ lệ nhất định thì sẽ mài mòn động cơ giảm đáng
kể, thậm chí sau 15 000 giờ làm việc vẫn không phát hiện được sự mài mòn đáng kể
- Khả năng thích hợp cho mùa đông: Nhiên liệu cho động cơ diesel nói chung phải giữ được tính lưu biến tốt vào mùa đông khi nhiệt độ hạ đến – 200C Cả những nhiên liệu đã pha thêm phụ gia cũng vậy Sự kết tinh tạo parafin xảy ra trong khối nhiên liệu diesel sẽ gây trở ngại cho các đường ống dẫn và quá trình phun nhiên liệu Khi đó cần thiết phải làm sạch hệ thống Còn đối với biodiesel, chỉ bị đông đặc khi nhiệt độ tăng nên không cần thiết phải làm sạch hệ thống nhiên liệu
- Khả năng phân huỷ sinh học: Biodiesel có khả năng phân huỷ trong thiên nhiênnhanh gấp bốn lần so với diesel khoáng Do tính chất an toàn như vậy mà biodiesel rấtthích hợp làm nhiên liệu cho máy móc ở những khu vực nhạy cảm như các khu đông dân cư hoặc gần nguồn nước
- Quá trình cháy sạch: Do biodiesel chứa 11% oxy nên quá trình cháy diễn ra hoàn toàn và tạo ra rất ít muội trong động cơ
- Dễ dàng sản xuất: Do nguyên liệu cho sản xuất biodiesel là dầu thực vật, mỡ động vật đều là những nguyên liệu có khả năng tái sinh và không làm ảnh hưởng đến nguồn năng lượng tự nhiên.Nguồn nguyên liệu đó lại có thể được cung cấp chủ động
và dễ dàng
- Trị số xetan cao: Thông thường, diesel khoáng có trị số xetan 50 – 52 đối với
động cơ thường và 35 – 54 đối với động cơ cao tốc Trong khi đó biodiesel có trị số xetan 56 – 58 Với giá trị như vậy biodiesel hoàn toàn đáp ứng được những yêu cầu khắt khe nhất của động cơ diesel cao tốc là cần nhiên liệu chất lượng cao với khả năng
tự bắt cháy nhanh mà không cần bất cứ phụ gia nào
c Nhược điểm của biodiesel: Tuy có những ưu điểm lớn kể trên,biodiesel vẫn
còn có những nhược điểm khá lớn như sau đây
- Giá thành cao: Biodiesel tổng hợp vẫn còn đắt hơn diesel thông thường Ở Mỹ, giá một gallon dầu đậu gấp 2 – 3 lần một gallon diesel khoáng Tuy vậy, trong quá
Trang 13trình sản xuất biodiesel còn tạo ra glyxerin là một chất có giá trị cao nên sẽ bù đắp chi phí sản xuất biodiesel.
- Quá trình sản xuất biodiesel không đảm bảo:Nếu rửa biodiesel không sạch thì khi sử dụng vẫn gây ra các vấn đề ô nhiễm do vẫn còn xà phòng, kiềm dư, glyxerin tự
do và metanol Đây đều là những chất độc hại cho sức khoẻ con người đồng thời cũng
là những chất gây ô nhiễm mạnh, tác động xấu tới môi trường sinh thái
II. NHIÊN LIỆU HÓA LỎNG.
1 Giới thiệu về nhiên liệu (LPG).
Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học, kỹ thuật, kinh
tế và yêu cầu về môi trường, những ứng dụng của LPG cũng trở nên rộng rãi và đangtrở thành loại nhiên liệu có nhiều ưu điểm nhất hiện nay
LPG là từ viết tắt của khí dầu mỏ hoá lỏng LPG (Liquefied Petroleum Gas) là hỗnhợp hydrocarcbone với thành phần chính là Butan, Propan chiếm 99% LPG được hoálỏng dưới áp suất cao để thuận lợi cho tồn chứa và vận chuyển Với nhiều đặc tính quýbáu, LPG đang được sử dụng và ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành nhiều lĩnh vực
Đã và đang mang lại những hiệu quả thuyết phục ứng dụng của LPG cú thể chia theomục đích sử dụng thành ba nhóm chính:
- Sử dụng LPG là nguồn nguyên liệu cho các ngành công nghiệp
- Sử dụng LPG là nguồn nhiên liệu cho các quá trình đốt sinh nhiệt
- Sử dụng LPG là nguồn nhiờn liệu cho cỏc phương tiện vận tải, các thiết bịchuyển nhiệt năng thành cơ năng
Sử dụng LPG là nguồn nguyên liệu cho các ngành công nghiệp:
Với đặc tính không màu, không mùi, không độc hại nên LPG là nguồn nhiên liệutốt cho các quá trình chế biến hoá học, làm chất mang,
- Trong công nghiệp hoá chất, LPG đợc sử dụng để chế biến tạo các hợp chấthoá học các hợp chất cao phân tử, nhựa,
- Trong nông nghiệp, LPG cũng đợc sử dụng để chế biến phân bón phân đạm,ure, Ngoài ra LPG cũng được sử dụng để tổng hợp thuốc trừ sâu
- Trong công nghiệp mỹ phẩm, LPG được sử dụng để tổng hợp các hợp chấtthơm, khí mang trong nước hoa, kem bôi da
Trang 14- Trong công nghiệp thực phẩm LPG cũng đợc sử dụng rộng rãi LPG đã được
sử dụng tổng hợp hương liệu hương chanh, cam, táo
LPG sử dụng cho quá trình đốt sinh nhiệt:
Sử dụng LPG cho quá trình đốt sinh nhiệt là ứng dụng phổ biến nhất hiện nay Dođòi hỏi về yêu cầu đảm bảo môi trờng sống, sự tiện lợi, giá thành và hiệu quả mà LPGđược sử dụng trong lĩnh vực này trở nên phổ biến
LPG được phát hiện và sử dụng từ những năm đầu thế kỷ 19, đến những năm 50của thế kỷ 20 đang được ứng dụng rộng rãi Ngày nay, LPG đã được sử dụng thay thếcho các loại nhiên liệu truyền thống : than, củi, điện, Việc sử dụng LPG này đã chothấy nhiều lợi ích quan trọng:
- Không gây ô nhiễm môi trường
- Giá thành thấp hơn so với dùng điện
- Chất lượng sản phẩm đồng đều, ổn định, đảm bảo yêu cầu
- Tiện lợi và tiết kiệm
LPG có thể được hóa lỏng ở nhiệt độ bình thường bằng cách gia tăng áp suất vừaphải, hoặc ở áp suất bình thường bằng cách sử dụng kỹ thuật làm lạnh để làm giảmnhiệt độ
2.2 Thành phần hóa học của LPG
LPG là tên chung dùng cho propan và butan thương mại
Trang 15Khối lượng riêng ở 15oC 0.51 kg/lít
Nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển - 43oC
Nhiệt độ tự bốc cháy (ở áp suất khí quyển) 460580 oC
Giới hạn cháy theo % thể tích 2.37% 9.5%
Vận tốc ngọn lửa ở ngoài không khí 4685 cm/s
2.2.2 Butane
Butane là một hydrocarbon có trong khí thiên nhiên và có thể thu được từ quá trìnhtinh luyện dầu mỏ Butane là một alkane thể khí, gồm có các hydro cacbon chứa 4nguyên tử cacbon, chủ yếu là n- butane và iso-butane Công thức hóa học của butane
là C4H10 và có công thức cấu tạo như sau:
Trang 16Nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển -0.5oC
Nhiệt độ tự bốc cháy (ở áp suất khí quyển) 410550oC
Giới hạn cháy theo % thể tích 1.86% 8.41%
Vận tốc ngọn lửa ở ngoài không khí 4087 cm/s
ở phần đáy bình và hơi nằm ở phía trên
Sự giãn nở của LPG vào khoảng 0,25%, chính vì vậy ta phải luôn luôn chứa khíLPG ở khoảng 80% thể tích bồn chứa Phần còn lại của bồn chứa dành cho phần hơigiãn nở do nhiệt độ môi trường
- Tỷ số bén lửa từ 2,4% 9.6% trong không khí
- Nhiệt độ tự bốc cháy là 855oF (457oC)
- Nhiệt trị thấp: QH = 46 MJ/kg (tương đương 11.000 kcal)
- Tỉ số không khí nhiên liệu A/F: 15,5
- Chỉ số Octan: 95 105
Trang 17LPG không độc hại, tuy nhiên không nên hít vào cơ thể với số lượng lớn vì có thểlàm say hay nghẹt thở và không nên bước vào môi trường có đầy hơi gas vì rất nguyhiểm do tính dễ bốc cháy của LPG.
Một lít LPG ở trạng thái lỏng có thể hóa hơi xấp xỉ 250 lít ở trạng thái hơi
Một số tính chất của LPG được trình bày ở bảng sau:
Khối lượng riêng 15oC,Kg/lít 0.510 0.580
Nhiệt độ tự bốc cháy 460580oC 410550oCNhiệt độ đông đặc -187.8oC -138oC
Vận tốc ngọn lửa ở ngoài không khí 4685cm/s 4087cm/s
Một số tính chất của LPG so sánh với xăng và dầu được trình bày ở bảng sau:
Trang 18Nhiệt trị thấp (MJ/lít) 23.42 26.55 32.24 35.2
-2.2.4 Các ứng dụng của LPG
LPG có hơn 1500 ứng dụng được chia làm 5 khu vực thị trường chính:
Dân dụng và thương nghiệp: Nấu ăn, nấu nước nóng, sưởi ấm, đèn gas… trong các
hộ dân, các cửa hàng ăn uống, các khách sạn …
Công nghiệp và nông nghiệp: Sấy thực phẩm, nung gốm sứ, ấp trứng, hàn cắt,thanh trùng dụng cụ y tế, …
Ô tô: LPG được biết như là loại nhiên liệu thay thế cho diesel và xăng Vì thế, hiệnnay đã có nhiều xe sử dụng LPG như là nguồn nhiên liệu cung cấp năng lượng chođộng cơ Trong thực tế việc sử dụng LPG thường mang lại cảm giác chạy xe êm hơn,tiếng ồn thấp, đặc biệt trên các xe tải nặng Tuy nhiên các xe thương mại dùng LPGnhư một nguồn nhiên liệu hiện nay vẫn chưa được sản xuất
Phát điện: Chạy máy phát điện, Turbin
Hoá dầu: Sản xuất ethetylen, propylen, butadiene cho ngành nhựa và đặc biệt làsản xuất MTBE là chất làm tăng chỉ số Octane
2.2.5 Các ưu điểm của nhiên liệu LPG
LPG có các ưu điểm sau:
- Các thành phần hóa học của LPG tương đối ít, do đó dễ dàng thực hiện việc
điều chỉnh đúng tỉ lệ hỗn hợp nhiên liệu và không khí để quá trình cháy xảy ra hoàntoàn Ưu điểm này đem lại đặc tính cháy sạch cho LPG
- Cả hai Propane và Butane được hóa lỏng một cách dễ dàng và đựng trong các
bình chứa áp suất Đặc tính này làm cho nhiên liệu có tính cơ động cao, do đó có thểvận chuyển dễ dàng trong các bình hoặc các thùng chứa đến người sử dụng
Trang 19- LPG là chất thay thế tốt cho xăng trong các động cơ xăng Đặc tính cháy sạch
của LPG trong một động cơ thích hợp đã làm giảm bớt lượng khí thải, kéo dài tuổi thọcủa dầu bôi trơn và bugi đánh lửa
- Các đặc tính cháy sạch và dễ vận chuyển của LPG cung cấp một chất thay thế
cho các nhiên liệu bản xứ chẳng hạn như gỗ, than đá và các chất hữu cơ khác Đây làgiải pháp tốt để hạn chế nạn phá rừng và làm giảm các chất thải rắn (PM) nguy hiểmvào bầu khí quyển được gây ra bởi việc đốt cháy các nhiên liệu bản xứ
- Thay thế cho chất nổ và chất làm lạnh (fluorocarbons ), giúp hạn chế nguyên
nhân gây phá hủy tầng ozone của trái đất
3. Khả năng ứng dụng LPG lên xe.
3.1 Các loại nhiên liệu khí sử dụng trên xe
Các loại nhiên liệu khi dùng trên xe chủ yếu gồm 2 loại: khí thiên nhiên và khíđồng hành từ mỏ dầu
Khí thiên nhiên.
Là khí được khai thác từ các mỏ khí có sẵn trong tự nhiên Thành phần chủ yếucủa khí thiên nhiên là Methane (CH4) 8090%.Khí thiên nhiên dùng làm nhiên liệucho xe cộ dưới 3 dạng sau:
Khí thiên nhiên nén(Compressed Natural Gas/CNG):khí được nén ở thể tích nhỏhơn với một áp suất cao 250 bars và chứa trong một bình chứa chắc chắn.Bình chứachứa được 4050 lít khí
Khí thiên nhiên hóa lỏng (Liquefield Natural Gas/LNG): Khí được làm lạnh ởnhiệt độ âm 1620C, áp suất khoảng 8,9 bars để chuyển sang trạng thái lỏng và chứatrong các bình cách nhiệt
Khí thiên nhiên hấp thụ (Adsorbed Natural Gas/ANG): Khí thiên nhiên được chứadưới dạng hấp thụ trong các vật liệu đặc biệt (như ống mao dẫn Cacbon hoạt tính) ở
áp suất 3040 bars
Ở hai loại sau, do khí được chứa ở áp suất không cao nên các bình chứa không đòihỏi khắt khe như đối với khí thiên nhiên nén
Trang 20 Khí đồng hành từ dầu mỏ.
Ơ các mỏ dầu luôn luôn có loại khí này Khi khai thác dầu mỏ, người ta sẽ thuđược khí này trước do chúng nằm phía trên mỏ Thành phần chủ yếu của khí đồnghành là Propane và Butane với tỉ lệ: 50/50, 60/40, 70/30
Khí đồng hành được dùng làm nhiên liệu dưới dạng khí hoá lỏng(LiquefiedPetrolium Gas/ LPG) Khí đồng hành hóa lỏng được chứa trong các bình có áp suấtthấp(dưới 20 bars)
3.2 Ưu điểm của việc sử dụng khí LPG so với các loại khí khác
Ta có thể thấy rằng việc sử dụng khí LPG làm nhiên liệu có nhiều ưu điểm hơn sovới các loại khí khác Các ưu điểm đó như:
Nguồn khí LPG có sẵn tại các mỏ dầu Việt Nam với trữ lượng lớn và khả năng sảnsuất LPG lớn (nhà máy khí Dinh Cố 300.000 tấn/năm)
Áp suất sử dụng thấp hơn (20 bars) Trong khi các loại khí khác đòi hỏi một ápsuất rất cao, do đó cần phải dùng các thiết bị nén khí đặc biệt, tốn kém
Sản xuất và sử dụng đơn giản và an toàn hơn Để lưu trữ khí với áp suất cao đòihỏi chúng ta phải có bình chứa chắc chắn, dày và có các bộ phận an toàn khác Nếukhông đảm bảo có thể dẫn đến hậu quả như: khí bắt nhiệt gây cháy hay nổ bình, lượngkhí có thể thoát ra ngoài gây độc hại hay nếu thành bình không đủ dày có thể gây nổ
Do LPG ở áp suất thấp hơn nên việc sản xuất và sử dụng đơn giản, cấu tạo bình chứađơn giản và rẻ tiền hơn
Các động cơ sử dụng nhiên liệu LPG ở dạng khí nên không làm loãng lớp màngdầu nhờn bôi trơn trên bề mặt tiếp xúc của các cặp chi tiết làm việc như piston – xylanh, trục khuỷu – thanh truyền, làm tăng hiệu quả bôi trơn, tăng thời gian sử dụngdầu nhờn đồng thời cũng làm tăng tuổi thọ của động cơ lên gấp 2 – 2,5 lần so vớiđộng cơ sử dụng nhiên liệu lỏng
Đặc điểm công tác của động cơ chạy bằng nhiên liệu khí: Những khái niệm cơbản về quá trình công tác của động cơ chạy bằng nhiên liệu khí hoàn toàn giống nhưđộng cơ Diesel và xăng
Trang 213.3 Các phương pháp sử dụng nhiên liệu khí để chạy động cơ đốt trong.
Phương pháp thứ hai.
Chuyển từ động cơ đang chạy nhiên liệu lỏng sang động cơ chạy bằng nhiên liệukhí hoặc bằng hai loại nhiên liệu: nhiên liệu chính là nhiên liệu khí còn nhiên liệu lỏngdùng làm mồi đốt (động cơ gas diasel) Khi chuyển cách dùng nhiên liệu từ chỗ đangchạy bằng nhiên liệu lỏng sang chạy bằng nhiên liệu khí, động cơ không cần thay đổi
về mặt cấu tạo nhưng khi đó công suất của động cơ giảm, vì những tính chất tốt nhấtcủa nhiên liệu không được lợi dụng hết
Đối với động cơ chạy bằng nhiên liệu khí việc hình thành khí hổn hợp có thể thựchiện hoặc ở bên trong hoặc ở bên ngoài xy lanh động cơ Nhưng đại đa số động cơchạy bằng nhiên liệu khí thường dùng phương pháp hình thành khí hỗn hợp ở bênngoài, vì phương pháp đó cho phép :
Dùng nhiên liệu khí được trong các động cơ chạy bằng nhiên liệu lỏng mà khôngcần thay đổi cấu tạo của động cơ, đồng thời vẫn giữ nguyên được khả năng khi chạylại bằng nhiên liệu lỏng
Tạo ra một loại động cơ chuyên chạy bằng nhiên liệu khí trên cơ sơ của động cơsẵn có chạy bằng nhiên liệu lỏng (cải tiến)
Việc hòa trộn không khí với nhiên liệu khí được chuẩn bị trong một thiết bị đặcbiệt đó là bộ hỗn hợp khí (bộ mêlăngzơ)
Việc đốt cháy khí hỗn hợp công tác của động cơ chạy bằng nhiên liệu khí chủ yếuđược thực hiện bằng hai cách sau đây:
Trang 22- Bằng tia nhiên liệu lỏng làm mồi.
Các động cơ gas được cải tiến từ những động cơ xăng thường dùng phương phápđốt cháy bằng tia lửa điện, cịn những động cơ được cải tiến trên cơ sở từ những động
cơ diesel thơng thường dùng phương pháp đốt cháy bằng bằng tia nhiên liệu lỏngphun vào xylanh lúc cuối quá trình nén Tia nhiên liệu mồi là một nguồn phát hỏa rấtlớn, gồm nhiều trung tâm cháy, nĩ đảm bảo cĩ thể đốt cháy những hỗn hợp lỗng hơnkhi đốt cháy bằng tia lửa điện
Trong động cơ chạy bằng nhiên liệu khí đốt cháy bằng tia nhiên liệu lỏng làm mồi,nhiệt lượng được lợi dụng một phần do sự cháy của nhiên liệu khí cung cấp, một phần
là do sự cháy của nhiên liệu lỏng cung cấp Do đĩ quá trình cơng tác cuả những loạiđộng cơ như vậy gọi là chu trình gasodiesel
Phương pháp hình thành khí hỗn hợp bên trong chỉ cho động cơ bốn kỳ tăng áp, vàứng dụng cho động cơ hai kỳ (để tránh tổn thất khí gas lúc quét khí trong xy lanh)
Người ta đã chế tạo động cơ gas tự cháy do nén khi phun khí gas (nhiên liệu khí)vào xy lanh lúc cuối quá trình nén nhưng khơng đưa đến kết quả mỹ mãn
3.4 Các phương án chuyển đổi động cơ chạy bằng nhiên liệu truyền thốngsang sử dụng nhiên liệu khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG)
Động cơ xăng
Cải tiến chuyển sang dùng khí thiên nhiên:
- Thay bộ chế hoà khí
- Giữ nguyên hệ thống đánh lửa
- Tăng tỉ số nén
Tỷ số nén là một trong những thông số động lực học quan trọng, nó ảnh hưởngrất nhiều đến các chỉ tiêu kinh tế và công suất của động cơ
