Chuyên đề 4 Chuyên đề 4 Phối trộn và đánh giá chất lượng xăng sinh học E10, E15, E20 sản xuất thử

Tiêu chuẩn quy định chỉ tiêu chất lượng đối với nhiên liệu bao gồm [2]: Trị số octan, hàm lượng chì, thành phần cất phân đoạn, ăn mòn tấm đồng, hàm lượng nhựa, độ ổn định oxy hóa, hàm lư

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ

thuộc Đề tài: “Nghiên cứu khả năng tương thích của động cơ nổ

thế hệ cũ sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol E100 lớn hơn

5%”, mã số ĐT.06.11/NLSH

thuộc Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015,

tầm nhìn đến năm 2025

Sản phẩm 2.4 Phối trộn và đánh giá chất lượng xăng sinh học

E10, E15, E20 sản xuất thử Chuyên đề số: 4

Cơ quan chủ trì

Hà Nội, tháng 08 năm 2011

MỤC LỤC

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 18

3.1 Đánh giá chất lượng của xăng sinh học E10 18

3.2 Đánh giá chất lượng của nhiên liệu phối trộn E15 20

3.3 Đánh giá chất lượng của nhiên liệu phối trộn E20 22

Lời nói đầu

Etanol và metanol là hai nhiên liệu thuộc họ rượu Trong đó, etanol được sử dụng pha vào xăng làm nhiên liệu động cơ rộng rãi hơn so với metanol vì metanol gây

ăn mòn cao hơn

Cùng với sự gia tăng về số lượng động cơ, nhu cầu về nhiên liệu ngày càng tăng nhanh Bên cạnh những lợi ích mà động cơ mang lại cho con người thì đồng thời nó cũng thải ra môi trường một lượng lớn các chất thải độc hại làm ảnh hưởng đến sức khoẻ và cả môi trường sinh thái

Do đó nhiên liệu thương phẩm bắt buộc phải bảo đảm được các yêu cầu không những liên quan đến quá trình cháy trong động cơ, hiệu suất đốt cháy mà còn phải bảo đảm các yêu cầu về bảo vệ môi trường

Thông thường nhiên liệu cần phải đạt được các yêu cầu cơ bản như sau [1]:

 Khởi động tốt khi đang ở nhiệt độ thấp

 Động cơ hoạt động không bị kích nổ

 Không kết tủa, tạo cặn trong bình chứa và cả trong bộ chế hoà khí

 Không tạo nút hơi trong hệ thống cung cấp nhiên liệu

 Dầu bôi trơn bị pha loãng bởi xăng là ít nhất

 Trị số octan ít bị thay đổi khi thay đổi tốc độ động cơ

 Các chất độc hại thải ra môi trường càng ít càng tốt

Do đó, việc đánh giá chất lượng xăng sinh học sản xuất thử là yêu cầu bắt buộc

Chuyên đề “Phối trộn và đánh giá chất lượng xăng sinh học E10, E15, E20 sản

xuất thử" thực hiện việc phối trộn và đánh giá các chỉ tiêu chất lượng của các loại xăng sinh học sản xuất thử

Chuyên đề 4: Phối trộn và đánh giá chất lượng xăng sinh học E10, E15, E20 sản xuất thử

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Để sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đánh lửa, xăng sinh học phải đảm bảo những chỉ tiêu chất lượng đáp ứng tiêu chuẩn của nhiên liệu xăng pha etanol biến tính Tiêu chuẩn quy định chỉ tiêu chất lượng đối với nhiên liệu bao gồm [2]: Trị số octan, hàm lượng chì, thành phần cất phân đoạn, ăn mòn tấm đồng, hàm lượng nhựa, độ ổn định oxy hóa, hàm lượng lưu huỳnh, áp suất hơi bão hòa, hàm lượng benzen, hàm lượng hydrocacbon thơm, hàm lượng olefin, hàm lượng oxy, hàm lượng etanol, khối lượng riêng, hàm lượng kim loại, ngoại quan

1.1 Trị số ốctan

Trị số ốctan là một đại lượng quy ước để đặc trưng cho khả năng chống lại sự kích nổ của xăng, giá trị của nó được tính bằng phần trăm thể tích của iso-octan (2,2,4-trimetylpentan) trong hỗn hợp của nó với n-heptan khi mà hỗn hợp này có khả năng chống kích nổ tương đương với khả năng chống kích nổ của xăng nhiên liệu đang khảo sát

Trong hỗn hợp này thì iso-octan có khả năng chống kích nổ tốt, được quy ước bằng 100, ngược lại n-heptan có khả năng chống kích nổ kém và được quy ước bằng 0 Trong trường hợp trị số octan lớn hơn 100 thì để xác định trị số octan người ta cho thêm vào xăng một hàm lượng Tetraetyl chì rồi tiến hành đo Trị số octan được tính theo công thức sau:

Trong đó T là hàm lượng Tetraetyl chì ml

Các yếu tố liên quan đến động cơ ảnh hưởng đến chỉ số octan bao gồm:

 Độ giàu

1.1.1 Ý nghĩa của trị số octan

Trị số octan là một chỉ tiêu rất quan trọng của xăng khi dùng xăng có trị số ốctan thấp hơn so với quy định của nhà chế tạo thì sẽ gây ra hiện tượng kích nổ làm giảm công suất của động cơ, nóng máy, gây mài mòn các chi tiết máy, tạo khói đen gây ô nhiễm môi trường Ngược lại nếu dùng xăng có trị số octan cao quá sẽ gây lãng phí Điều quan trọng là phải dùng xăng đúng theo yêu cầu của nhà chế tạo, cụ thể là theo đúng tỷ số nén của động cơ, khi tỷ số nén lớn thì yêu cầu trị số octan lớn và ngược lại

1.1.2 Các phương pháp đo chỉ số octan

Thông thường thì chỉ số octan được đo theo hai phương pháp như sau:

 Phương pháp nghiên cứu (RON) đo theo tiêu chuẩn ASTM D 2700

 Phương pháp mô tơ (MON) đo theo tiêu chuẩn ASTM D 2699

Cả hai phương pháp này đều được đo trên cùng một động cơ CFR (Cooperative Fuel Research) Đây là động cơ có một xylanh có các thông số như sau:

 Đường kính xylanh: 82,55 mm

 Khoảng chạy piston: 114,30 mm

 Thể tích xylanh: 661 cm3

 Tỷ số nén: 4 ÷ 18

 Vận tốc quay khi thử nghiệm là cố định

 Độ giàu điều chỉnh được

Để phát hiện ra hiện tượng kích nổ có thể dùng các thiết bị sau:

+ Capteur từ

+ Theo tín hiệu

+ Theo cường độ âm thanh

Điều kiện đo của 2 phương pháp được trình bày trong bảng 1

Bảng 1: Điều kiện đo của hai phương pháp

Thông số làm việc RON MON

Số vòng quay của động cơ thử

Nhiệt độ của hỗn hợp nhiên liệu -

Độ ẩm tuyệt đối của không khí

dẫn vào động cơ, g H2O/1 kg

không khí khô

3,5  7,0 3,5  7,0

Thông thường, trị số octan theo RON thường cao hơn MON Mức chênh lệch

đó phản ánh: ở một mức độ nào đó tính chất của nhiên liệu thay đổi khi chế độ làm việc của động cơ thay đổi, cho nên mức chênh lệch đó còn gọi là độ nhạy của nhiên liệu đối với chế độ làm việc thay đổi của động cơ Độ nhạy càng thấp càng tốt

1.2 Tỷ trọng

Tỷ trọng của một chất lỏng là tỷ số giữa khối lượng riêng chất đó so với khối lượng riêng của nước được đo ở trong những điều kiện nhiệt độ xác định Như vậy, tỷ trọng là một đại lượng không có thứ nguyên

Người ta thường ký hiệu là ρt1

t2, trong đó t1 là nhiệt độ mà tại đó người ta xác định khối lượng riêng của nước, tương tự như vậy t2 là nhiệt độ mà tại đó người ta đo khối lượng riêng của chất cần đo

Trong thực tế ta thường gặp ρ4

20, ρ4 15, ρ15.6 15.6, đối với dầu mỏ và các sản phẩm của nó thì trong tính toán người ta thường dùng tỷ trọng chuẩn ρ15.615.6

Ở Mỹ và một số nước khác người ta còn biểu thị tỷ trọng thông qua một đại lượng khác gọi là độ API và giá trị của nó được xác định thông qua tỷ trọng chuẩn như sau:

Có nhiều phương pháp để xác định tỷ trọng, nhưng thông thường nó được xác định theo 3 phương pháp sau:

 Phương pháp dùng picnomet

 Phương pháp dùng phù kế

 Phương pháp dùng cân thuỷ tĩnh

Theo tiêu chuẩn của châu Âu thì giá trị này nằm trong khoảng 720 đến 775 kg/m3

Đối với xăng thì việc xác định tỷ trọng không có nhiều ý nghĩa như đối với dầu thô hay diesel hoặc một sản phẩm khác, tuy nhiên nó cũng có những ý nghĩa nhất định trong việc điều khiển độ giàu khi bắt đầu khởi động động cơ, ảnh hưởng trực tiếp lên nhiệt cháy thể tích do đó ảnh hưởng lên sự tiêu thụ riêng của nhiên liệu, cụ thể khi tỷ trọng tăng lên thì suất tiêu thụ riêng giảm xuống

1.3 Thành phần cất phân đoạn

Thành phần cất là khái niệm dùng để biểu diễn phần trăm bay hơi theo nhiệt độ hoặc ngược lại nhiệt độ theo phần trăm thu được khi tiến hành chưng cất mẫu trong thiết bị chuẩn theo những điều kiện xác định

 Nhiệt độ sôi đầu: là nhiệt độ đọc được trên nhiệt kế vào lúc giọt chất lỏng ngưng tụ đầu tiên chảy

 Nhiệt độ sôi cuối: là nhiệt độ cao nhất đạt được trong quá trình chưng cất

 Nhiệt độ phân hủy: là nhiệt độ đọc được trên nhiệt kế khi xuất hiện các dấu hiệu đầu tiên của sự nhiệt phân như xuất hiện hơi trắng

 Nhiệt độ sôi 10% (t10%), t50%, t90%, t95%, : là nhiệt độ đọc trên nhiệt kế tương ứng khi thu được 10%, 50%, 90%, 95% chất lỏng ngưng tụ trong ống thu Phần trăm thu hồi được là số ml chất lỏng ngưng tụ thu được trong ống đong có chia độ tương ứng lúc đọc nhiệt độ

Ý nghĩa của việc xác định thành phần cất:

Ngoài việc đánh giá thành phần hoá học của nhiên liệu thì thành phần cất còn

có ý nghĩa rất quan trọng đối với xăng nhiên liệu bởi các giá trị của nó ảnh hưởng trực tiếp lên khả năng khởi động, khả năng tăng tốc và cả khả năng cháy hoà toàn trong buồng cháy

Thành phần cất phân đoạn của nhiên liệu được xác định bằng phương pháp ASTM D 86

1.4 Áp suất hơi bão hoà

Áp suất hơi là một đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất các phân tử trong pha lỏng có xu hướng thoát khỏi bề mặt của nó để chuyển sang pha hơi ở nhiệt độ nào

đó Như vậy áp suất hơi bảo hoà chính là áp suất hơi mà tại đó thể hưoi cân bằng với thể lỏng

Áp suất hơi là một hàm số của nhiệt độ và của đặc tính pha lỏng Sự sôi của một hydrocacbon nào đó, hay của một phân đoạn dầu mỏ chỉ xảy ra khi áp suất hơi của nó bằng với áp suất hơi của hệ Vì vậy, khi áp suất hệ tăng lên, nhiệt độ sôi của phân đoạn

sẽ tăng theo nhằm tạo ra một áp suất hơi bằng áp suất của hệ Ngược lại, khi áp suất của hệ giảm thấp, nhiệt độ sôi của phân đoạn sẽ giảm đi tương ứng

Đối với các hydrocacbon riêng lẻ, áp suất hơi của nó chỉ phụ thuộc vào nhiệt

độ, vì vậy ở một áp suất nhất định chỉ có một nhiệt độ sôi tương ứng

Đối với một phân đoạn dầu mỏ trong đó bao gồm nhiều hydrocacbon riêng lẽ thì áp suất hơi của phân đoạn, ngoài sự phụ thuộc vào nhiệt độ, còn phụ thuộc vào thành phần các hydrocacbon có áp suất riêng phần khác nhau, nghĩa là áp suất hơi của phân đoạn mang tính chất cộng tính của các thành phần trong đó và tuân theo định luật Raoult:

(Pi, xi là áp suất riêng phần và nồng độ phần mol của cấu tử i trong phân đoạn)

Áp suất hơi bão hoà có thể được biểu diễn theo 3 phương pháp khác nhau:

 Phương pháp của Reid (PVR)

 Phương pháp của Grabner

 Phương pháp xác định tỷ lệ lỏng - hơi (V/L)

Trong ba phương pháp trên thì phương pháp của Reid thường được dùng nhiều nhất Áp suất thu được là áp suất tuyệt đối Áp suất này được đo ở 100oF (37,8oC) Cũng tương tự như thành phần cất, áp suất hơi bão hòa đặc trưng cho khả năng khởi động của động cơ ở nhiệt độ thấp Khi giá trị này lớn thì động cơ dễ khởi động nhưng nếu giá trị này lớn quá sẽ gây ra hiện tượng tạo nút hơi, thiếu nhiên liệu khi cung cấp cho động cơ và gây mất mát, nhưng nếu nhỏ quá thì động cơ khó khởi động

Áp suất hơi bão hoà được xác định bằng phương pháp ASTM D 4953/ASTM D

5191

1.5 Độ ổn định oxy hoá

Trong quá trình vận chuyển và bảo quản dầu thô cũng như sản phẩm của nó thường tiếp xúc với không khí nên các hydrocacbon dễ bị oxy hoá tạo thành các sản phẩm nặng hơn và thường gọi là nhựa, các hợp chất này thường gây ra nhiều ảnh hưởng xấu đến quá trình hoạt động của động cơ như: Làm tắt nghẽn lưới lọc trong bơm nạp liệu, tạo cặn trong các rãnh của piston và trên xecmăng

Để đặc trưng cho khả năng chống lại quá trình oxy hoá người ta dùng khái niệm

độ ổn định oxy hoá Độ ổn định oxy hóa có thể được xác định theo nhiều phương pháp khác nhau

Độ ổn định oxy hoá phụ thuộc vào thành phần hoá học của các họ hydrocacbon Trong dầu thô cũng như các sản phẩm của nó thì các hydrocacbon có độ ổn định hoá học khác nhau, các hợp chất aromatic có độ ổn định kém nhất còn các hợp chất parafinic có độ ổn định cao nhất, tuy nhiên ở điều kiện nhiệt độ thường thì tốc độ oxy hoá của các họ hydrocacbon này không lớn

Độ ổn định oxy hóa được xác định bằng phương pháp ASTM D 525

1.6 Hàm lượng ôlefin

Trong dầu thô không có các hợp chất ôlefin, nhưng trong quá trình chế biến, dưới tác dụng của nhiệt độ các hydrocacbon kém bền nhiệt sẻ bị cắt mạch để tạo thành các sản phẩm nhẹ hơn trong đó có các hợp chất không no như ôlefin Ngoài ra, xăng thương phẩm thường được phối trộn từ rất nhiều nguồn khác nhau trong đó chủ yếu là các sản phẩm của các quá trình chế biến sâu, trong các sản phẩm này thường chứa các hợp chất không no Vì vậy trong thành phần của xăng luôn chứa các hợp chất ôlefin,

đây là hợp chất kém bền dễ bị oxy hoá tạo nhựa và các hợp chất có hại khác cho xăng Chính vì lý do này mà phải khống chế hàm lượng của ôlefin trong xăng

Hàm lượng ôlefin trong xăng nhiên liệu được xác định bằng phương pháp ASTM D 1319 hoặc ASTM D 6296

Có nhiều phương pháp nhằm hạn chế các chất ô nhiễm này như cải tiến cấu trúc của động cơ, khống chế điều kiện làm việc tối ưu hay cải thiện chất lượng của nhiên liệu Trong các giải pháp này thì hai giải pháp đầu tiên rất khó làm giảm hàm lượng benzen trong khí thải vì benzen là một chất khó cháy nhất trong các hợp chất này Vì những lý do này mà người ta bắt buộc phải khống chế hàm lượng benzen và cả hàm lượng các hợp chất aromatic trong nhiên liệu

Bảng 1.2: Benzen trong khí thải động cơ xăng phụ thuộc vào hàm lượng aromatic

3% benzen trong nhiên liệu

35 2 2,9

Hàm lượng benzen trong nhiên liệu được xác định bằng phương pháp ASTM D

3606 hoặc ASTM D 4420

1.9 Hàm lượng lưu huỳnh

Trong phân đoạn xăng thu được từ quá trình chưng cất khí quyển hay trong xăng thương phẩm thì hàm lượng lưu huỳnh không nhiều, chúng có thể tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau tuỳ theo nguồn gốc phối trộn Trong các dạng tồn tại này, người

ta quan tâm nhiều nhất đến hợp chất mercaptan (có trong phân đoạn xăng chưng cất trực tiếp) vì đây là các hợp chất có khả năng gây ăn mòn trực tiếp các thiết bị trong tồn chứa bảo quản, vận chuyển cũng như sử dụng trong động cơ

Mặc dù hàm lượng các hợp chất này không lớn trong thành phần của xăng nhưng nó gây ra nhiều ảnh hưởng xấu đến chất lượng của xăng Khi cháy trong động

cơ chúng tạo ra khi SO2, khí này sau đó có thể chuyển một phần thành SO3 Các chất khí này sẽ tạo thành các axit tương ứng khi nhiệt độ xuống thấp, đây là các chất gây ăn mòn rất mạnh Ngoài ra, khi theo khói thải ra ngoài các chất khí này sẽ làm nhiễm độc xúc tác trong hệ thống xử lý khí thải và gây ô nhiễm môi trường khí quyển

Hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu lỏng được xác định bằng phương pháp ASTM D 5453

1.10 Độ ăn mòn tấm đồng

Mặc dù phần lớn các thành phần chứa lưu huỳnh đã được loại ra khỏi nhiên liệu trong quá trình chế biến nhưng việc loại bỏ toàn bộ lưu huỳnh là khó thực hiện về mặt công nghệ và không kinh tế Tuy hàm lượng lưu huỳnh còn lại trong sản phẩm là không nhiều nhưng sự tồn tại của nó cùng với sự tồn tại của các hợp chất hữu cơ chứa oxy cũng có thể gây ra sự ăn mòn mạnh đối với các bộ phận của động cơ Vì vậy, hàm lượng của các hợp chất lưu huỳnh này trong nhiên liệu cũng cần phải nằm trong một giới hạn nhất định Giới hạn này được biểu diễn qua phép thử tính chất ăn mòn tấm đồng

Tiêu chuẩn việt Nam về độ ăn mòn tấm đồng đối với nhiên liệu theo phương pháp thử ASTM-D130 tối đa là loại1

Ngoài những tiêu chuẩn quan trọng nêu trên thì một loại xăng sinh học còn phải đạt nhiều tính chất khác như: hàm lượng nhựa, cặn, tro, tiêu chuẩn về màu sắc các chỉ tiêu về độ kiềm, axit

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM

2.1 Nguyên liệu

Xăng A92 được mua tại cây xăng của Petrolimex

Etanol khan với hàm lượng 99,5% được cung cấp bởi Công ty TNHH Bagico, được pha trộn với hỗn hợp chất biến tính để thu được etanol nhiên liệu biến tính gồm chất biến tính (xăng) và các phụ gia: phụ gia chống tách pha: Isopropyl alcol (IPA), phụ gia chất phân tán, chất tẩy rửa: Polyetheramine, phụ gia chống oxy hóa: Butylated diphenylamine (BD), phụ gia chống ăn mòn: Tetraethanolamine (TEA)

Chuẩn bị hỗn hợp nhiên liệu với 10%, 15%, 20% etanol nhiên liệu biến trong xăng

Quy trình phối trộn được trình bày trong hình 2.1

Hình 2.1: Sơ đồ quy trình phối trộn

Xăng, etanol nhiên liệu biến tính được phối trộn với tỷ lệ theo đơn và quy trình như đã trình bày trong các chuyên đề trước

Các mẫu sau khi pha trộn được kiểm tra tính chất của nhiên liệu và so sánh với mẫu xăng thương mại

Các chỉ tiêu chất lượng được xác định tại Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam