nghiên cứu phát triển thiết bị hòa trộn nhiên liệu hỗn hợp dầu thực vật dầu diesel cho tàu thủy diesel cỡ vừa và nhỏ

nghiên cứu phát triển thiết bị hòa trộn nhiên liệu hỗn hợp dầu thực vật dầu diesel cho tàu thủy diesel cỡ vừa và nhỏ nghiên cứu phát triển thiết bị hòa trộn nhiên liệu hỗn hợp dầu thực vật dầu diesel cho tàu thủy diesel cỡ vừa và nhỏ nghiên cứu phát triển thiết bị hòa trộn nhiên liệu hỗn hợp dầu thực vật dầu diesel cho tàu thủy diesel cỡ vừa và nhỏ nghiên cứu phát triển thiết bị hòa trộn nhiên liệu hỗn hợp dầu thực vật dầu diesel cho tàu thủy diesel cỡ vừa và nhỏ nghiên cứu phát triển thiết bị hòa trộn nhiên liệu hỗn hợp dầu thực vật dầu diesel cho tàu thủy diesel cỡ vừa và nhỏ nghiên cứu phát triển thiết bị hòa trộn nhiên liệu hỗn hợp dầu thực vật dầu diesel cho tàu thủy diesel cỡ vừa và nhỏ nghiên cứu phát triển thiết bị hòa trộn nhiên liệu hỗn hợp dầu thực vật dầu diesel cho tàu thủy diesel cỡ vừa và nhỏ nghiên cứu phát triển thiết bị hòa trộn nhiên liệu hỗn hợp dầu thực vật dầu diesel cho tàu thủy diesel cỡ vừa và nhỏ nghiên cứu phát triển thiết bị hòa trộn nhiên liệu hỗn hợp dầu thực vật dầu diesel cho tàu thủy diesel cỡ vừa và nhỏ nghiên cứu phát triển thiết bị hòa trộn nhiên liệu hỗn hợp dầu thực vật dầu diesel cho tàu thủy diesel cỡ vừa và nhỏ nghiên cứu phát triển thiết bị hòa trộn nhiên liệu hỗn hợp dầu thực vật dầu diesel cho tàu thủy diesel cỡ vừa và nhỏ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận án

Trần Thế Nam

LỜI CẢM ƠN

Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với các Thầy hướng dẫn khoa học: PGS TSKH Đặng Văn Uy và PGS TS Nguyễn Đại An, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, đã tận tình hướng dẫn về phương hướng, nội dung

và phương pháp nghiên cứu trong quá trình thực hiện luận án

Tác giả xin trân trọng cảm ơn các Thầy cô, các nhà khoa học trong Khoa Máy tàu biển, Viện Cơ khí, Viện Khoa học và Công nghệ Hàng hải, Viện Nghiên cứu Phát triển, Trung tâm đào tạo và Tư vấn KHCN bảo vệ môi trường thủy thuộc Trường Đại học Hàng hải Việt Nam đã tạo điều kiện, giúp đỡ và hợp tác trong quá trình nghiên cứu

Tác giả chân thành cảm ơn các chuyên gia thuộc lĩnh vực Cơ khí – Động lực trong và ngoài Trường Đại học Hàng hải Việt Nam đã đọc và đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho luận án

Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến tất cả bạn bè, đồng nghiệp, người thân trong gia đình đã động viên và giúp đỡ cả về vật chất lẫn tinh thần để tác giả có thể hoàn thành được luận án

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ x

MỞ ĐẦU 1

Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 1

Phương pháp nghiên cứu 2

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2

Các nội dung chính trong đề tài 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4

1.1 Đặc điểm công tác của động cơ diesel thủy và những yêu cầu đối với nhiên liệu dùng trên tàu 4

1.1.1 Những đặc điểm riêng biệt của động cơ diesel thủy 4

1.1.2 Nhiên liệu dùng cho động cơ diesel tàu thủy 6

1.1.3 Những yêu cầu về sử dụng nhiên liệu tiết kiệm và ngăn ngừa ô nhiễm do khí thải từ tàu 8

1.2 Nhiên liệu sinh học và xu thế ứng dụng trên tàu thủy 11

1.2.1 Khái niệm chung về nhiên liệu sinh học 11

1.2.2 Diesel sinh học 11

1.2.3 Dầu thực vật nguyên gốc 16

1.3 Tổng quan về nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học cho tàu thủy 17

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 17

1.3.2 Các nghiên cứu tại Việt Nam 21

1.3.3 Nhận xét, đánh giá 22

1.4 Cơ sở nghiên cứu của luận án 23

1.5 Kết luận chương 27

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HÒA TRỘN VÀ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG

CỦA NHIÊN LIỆU TỚI QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ 29

2.1 Tổng quan về hòa trộn chất lỏng 29

2.1.1 Một số nguyên lý hòa trộn tiêu biểu 29

2.1.2 Một số thiết bị hòa trộn điển hình 30

2.2 Cơ sở lý thuyết tính toán thiết bị hòa trộn bằng phương pháp khuấy 33

2.2.1 Tính vận tốc tiếp tuyến của chất lỏng trong thiết bị hòa trộn 33

2.2.2 Tính toán công suất dẫn động cánh khuấy 35

2.2.3 Thời gian hòa trộn 37

2.3 Xây dựng cơ sở lý thuyết thiết kế thiết bị hòa trộn liên tục 39

2.3.1 Những căn cứ thiết kế 39

2.3.2 Xây dựng phương pháp tính kích thước của thiết bị hòa trộn liên tục 40

2.4 Cơ sở lý thuyết các phương pháp đánh giá và hiệu chỉnh thiết bị hòa trộn 45

2.4.1 Phương pháp mô phỏng số CFD 45

2.4.2 Phương pháp mô phỏng đồng dạng 47

2.5 Cơ sở lý thuyết đánh giá ảnh hưởng của loại nhiên liệu đến hệ thống cấp nhiên liệu cho động cơ diesel 49

2.5.1 Ảnh hưởng của hỗn hợp dầu cọ - dầu diesel đến áp suất phun 49

2.5.2 Ảnh hưởng của hỗn hợp dầu cọ - dầu diesel đến lưu lượng phun 50

2.5.3 Ảnh hưởng của hỗn hợp dầu cọ - dầu diesel đến thời điểm cấp và cháy của nhiên liệu 51

2.6 Mô phỏng quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp dầu cọ - dầu diesel [11, 35] 52

2.6.1 Cơ sở lý thuyết 52

2.6.2 Mô phỏng quá trình cháy bằng phần mềm GT-Power 58

2.7 Kết luận chương 61

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ HÒA TRỘN LIÊN TỤC DẦU CỌ - DẦU DO VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG THÔNG QUA MÔ PHỎNG 62

3.1 Đặt vấn đề 62

3.1.1 Thiết bị cơ khí 62

3.1.2 Hệ thống tự động điều khiển 64

3.2 Thiết kế thiết bị hòa trộn liên tục 65

3.2.1 Thực hiện các bước thiết kế 66

3.2.2 Vật liệu chế tạo và bản vẽ thiết bị hòa trộn 72

3.3 Đánh giá chất lượng hòa trộn của thiết bị bằng mô phỏng số CFD 72

3.4 Đánh giá chất lượng hòa trộn của thiết bị bằng thử nghiệm mô hình đồng dạng 75 3.4.1 Tính toán hệ số đồng dạng và chế tạo thiết bị mô hình 76

3.4.2 Thực hiện thí nghiệm đánh giá và phân tích 77

3.5 Kết quả mô phỏng quá trình cháy khi sử dụng với các loại hỗn hợp nhiên liệu khác nhau 79

3.6 Kết luận chương 88

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM 89

4.1 Mục đích, chế độ và đối tượng thử nghiệm 89

4.1.1 Mục đích 89

4.1.2 Chế độ thử nghiệm 89

4.1.3 Đối tượng thử nghiệm 89

4.2 Xây dựng tiêu chí thử nghiệm thiết bị hòa trộn liên tục 89

4.2.1 Cơ sở kĩ thuật và pháp lý để xây dựng tiêu chí đánh giá 89

4.2.2 Các tiêu chí đánh giá phục vụ thử nghiệm 90

4.3 Cơ sở vật chất phục vụ thử nghiệm tại phòng thí nghiệm 91

4.3.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thử nghiệm 91

4.3.2 Các thiết bị đo phục vụ thử nghiệm 92

4.3.3 Nhiên liệu thử nghiệm 95

4.4 Các kết quả thực nghiệm 95

4.4.1 Kết quả thử nghiệm đánh giá chất lượng trộn 95

4.4.2 Kết quả thử nghiệm và đánh giá sự hoạt động của động cơ 6LU32 sử dụng nhiên liệu hỗn hợp do thiết bị hòa trộn liên tục tạo ra 97

4.4.3 Các kết quả thử nghiệm trên tàu Sao Biển 107

4.4 Kết luận chương 111

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 112

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 114

TÀI LIỆU THAM KHẢO 115

1 Tài liệu tham khảo tiếng Việt 115

2 Tài liệu tham khảo tiếng Anh 116 PHỤ LỤC 1 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ VÀ TÍNH TOÁN THIẾT BỊ HÒA TRỘN PL-1 1.1 Chương trình tính các thông số công tác của động cơ bằng Matlab PL-1 1.1.1 Dữ liệu đầu vào PL-1 1.1.2 Chương trình tính PL-2 1.2 Mô hình quá trình cháy động cơ 6LU32 trên phần mềm GT-Power PL-8 1.2.1 Phần tử xi lanh (EngCylinder) PL-9 1.2.2 Phần tử vòi phun (InjProfileConn) PL-10 1.2.3 Phần tử cơ cấu phân phối khí (ValveCamConn) PL-10 1.2.4 Phần tử các thông số chung của động cơ (Engine CrakTrain) PL-11 1.3 Chương trình tính bộ trộn nhiên liệu liên tục trên Matlab PL-12 PHỤ LỤC 2 NGHIÊN CỨU BỘ HÒA TRỘN TRÊN PHẦN MỀM FLUENT -ANSYS PL-13 2.1 Qui trình nghiên cứu PL-13 2.2 Các bước chính PL-14 Bước 1: Xây dựng mô hình 3D PL-14 Bước 2: Chia lưới PL-14 Bước 3: Lựa chọn phương pháp tính toán mô phỏng PL-15 Bước 4: Đặt các điều kiện biên PL-15 Bước 5: Tiến hành tính toán và hiệu chỉnh các điều kiện biên PL-17 Bước 6: Phân tích kết quả PL-17 PHỤ LỤC 3 HÌNH ẢNH CHỤP MẪU HÒA TRỘN PL-18 PHỤ LỤC 4 BẢN VẼ THIẾT KẾ THIẾT BỊ HÒA TRỘN LIÊN TỤC DẦU CỌ VÀ DẦU DIESEL (DO) PL-20 PHỤ LỤC 5 MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ TRANG THIẾT BỊ VÀ QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM PL-30 5.1 Trang thiết bị thí nghiệm tại phòng thí nghiệm PL-30 5.2 Thử nghiệm trên tàu Sao Biển PL-36

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Fluent Phần mềm mô phỏng động lực học dòng chảy

FEM Phương pháp phần tử hữu hạn

MDO Marine Distilated Oil – dầu chưng cất dùng cho tàu thủy

MGO Marine gasoil - tương đương với dầu fuel oil số 2

DMX Dầu diesel nhẹ, dùng cho trường hợp sự cố

DMA Dầu diesel đã được loại các tạp chất

DMB Dầu diesel có hàm lượng lưu huỳnh cao

DMC Dầu diesel chứa nhiều tạp chất

SVO Dầu thực vật dùng trực tiếp

PPO Dầu thực vật nguyên gốc

PO Dầu cọ

IMO Tổ chức Hàng hải quốc tế

GQTK Góc quay trục khuỷu

ASTM Tiêu chuẩn Hoa Kỳ về Vật liệu và Thử nghiệm

EEDI Chỉ số thiết kế năng lượng hiệu quả

EEOI Chỉ số khai thác năng lượng hiệu quả

SEEMP Hệ thống quản lý năng lượng hiệu quả trên tàu

NLSH Nhiên liệu sinh học

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

Hkt Chiều cao cột chất lỏng trong két trộn m

PCT Công suất cần thiết cho bộ trộn kW

t m Thời gian cần thiết để hòa trộn s

t r Thời gian chất lỏng lưu lại trong két trộn s

QCL Lưu lượng hỗn hợp chất lỏng ra khỏi bộ trộn m3/s

ge Suất tiêu hao nhiên liệu có ích g/kW.h

Vd Thể tích công tác của xi lanh dm3

(A/F) s Tỷ lệ không khí - nhiên liệu của hỗn hợp cháy lý thuyết

Tg Nhiệt độ trung bình của khí cháy trong xi lanh K

Tw Nhiệt độ trung bình của thành vách xi lanh K

 Độ nhớt động lực học chất lỏng cSt

v Độ nhớt động học của chất lỏng m2/s

ρ Khối lượng riêng của chất lỏng kg/m3

λ Hệ số kết cấu

i Số lỗ phun của vòi phun

Fp Diện tích tiết diện ngang của piston bơm cao áp m2

EA Năng lượng kích hoạt cần thiết để tự cháy của nhiên

%m/m Tỷ lệ phần trăm theo khối lượng

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Phân loại động cơ diesel thủy [41] 4 Bảng 1.2 Thời gian cấp nhiên liệu phụ thuộc vào tốc độ làm việc [41] 5 Bảng 1.3 Thông số đặc trưng của dầu diesel số 2 (DO) [45] 6 Bảng 1.4 Nhiên liệu tàu thủy theo tiêu chuẩn ISO 8217:2005 [41] 7 Bảng 1.5 Hướng dẫn quản lý năng lượng hiệu quả trên tàu của Cơ quan

Đăng kiểm Lloyd (Anh) [44]

9

Bảng 1.6 Tiêu chuẩn phát thải NOx [3] 10 Bảng 1.7 Nguồn nguyên liệu sản xuất diesel sinh học [32] 12 Bảng 1.8 Đặc tính lý hóa của diesel sinh học [32] 12 Bảng 1.9 Đặc tính nhiên liệu của dầu diesel và diesel sinh học [32] 13 Bảng 1.10 So sánh mức độ phát thải khi sử dụng B20 với dầu diesel 14 Bảng 1.11 Tính chất hóa lý của các loại nhiên liệu [32] 16 Bảng 1.12 Đánh giá sử dụng diesel sinh học [27] 18 Bảng 2.1 Hệ số thực nghiệm Ck phụ thuộc vào dạng bộ phận khuấy

[10]

37

Bảng 2.2 Hệ số hình dạng và định nghĩa 43 Bảng 2.3 Hệ số công suất Np đối với các loại cánh khuấy khác nhau và

các thông số hình dạng [17, 19]

44

Bảng 2.4 Các phần tử chính của mô hình 60 Bảng 3.1 Các thông số lý hóa của nhiên liệu cần trộn 68 Bảng 3.2 Các thông số cơ bản của động cơ HANSHIN 6LU32 69 Bảng 3.3 Các thông số sau tính toán thiết bị hòa trộn 71 Bảng 3.4 Kích thước của bộ hòa trộn kiểu cánh khuấy 72 Bảng 3.5 Các thông số cơ bản của mô hình thiết bị hòa trộn 77 Bảng 3.6 Thời gian hòa trộn theo các tỷ lệ hòa trộn khác nhau 78 Bảng 3.7 Nhiệt độ đông đặc của các mẫu hòa trộn thử nghiệm 78 Bảng 3.8 So sánh kết quả mô phỏng thông số kỹ thuật của động cơ 85 Bảng 3.9 So sánh công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ 87

Bảng 4.1 Các thông số kĩ thuật cơ bản của phanh thủy lực Omega 1500 92 Bảng 4.2 Thông số kỹ thuật của thiết bị đo áp suất cháy cực đại Pz 94 Bảng 4.3 Kết quả kiểm tra hòa trộn các mẫu thử nghiệm 96 Bảng 4.4 So sánh kết quả mô phỏng thông số kỹ thuật của động cơ 85 Bảng 4.5 So sánh công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ 87 Bảng 4.6 Giá trị áp suất cháy cực đại đối với các loại nhiên liệu khác

nhau

98

Bảng 4.7 So sánh giá trị áp suất cháy cực đại giữa số liệu đo đạc thực

tế và số liệu theo mô phỏng

98

Bảng 4.8 Thời gian cháy trễ của các loại nhiên liệu khác nhau 99 Bảng 4.9 Thời điểm bắt đầu cháy sớm của nhiên liệu so với ĐCT 100 Bảng 4.10 Thời điểm và áp suất phun nhiên liệu vào động cơ 103 Bảng 4.11 Thời điểm và giá trị cực đại của áp suất phun nhiên liệu 103 Bảng 4.12 Lượng cấp nhiên liệu theo lý thuyết đối với mỗi loại nhiên

liệu

104

Bảng 4.13 Lượng cấp nhiên liệu theo đo đạc đối với mỗi loại nhiên liệu 104 Bảng 4.14 Tiêu chuẩn về NOx trong khí thải động cơ diesel thủy [3] 106 Bảng 4.15 Hàm lượng chất NOx trong khí thải động cơ diesel 6LU32 106 Bảng 4.16 Các thông số cơ bản của tàu và động cơ chính 108 Bảng 4.17 Thông số công tác ghi lại của động cơ 6L27BSH 108

Hình 1.3 Đề xuất hệ thống cấp nhiên liệu với thiết bị hòa trộn liên tục

để sử dụng nhiên liệu hỗn hợp cho động cơ diesel thủy

26

Hình 2.1 Cơ chế tạo ứng suất để hòa trộn chất lỏng [25] 29 Hình 2.2 Thiết bị hòa trộn kiểu chữ S-thẳng 30 Hình 2.3 Các thiết kế khác nhau của bộ hòa trộn tĩnh kiểu Kenics [50] 31 Hình 2.4 Thiết bị hòa trộn chất lỏng kiểu cánh khuấy 32 Hình 2.5 Mô hình dòng chảy của chất lỏng trong thiết bị khuấy [24] 33 Hình 2.6 Sơ đồ véc tơ vận tốc ở đầu mút của cánh khuấy 34 Hình 2.7 Đồ thị mối quan hệ giữa công suất trộn và Re [10] 36 Hình 2.8 Sự sai khác nồng độ (Cf -Ci) trong két hòa trộn [24] 38 Hình 2.9 Thời gian trộn phụ thuộc vào hệ số Reynold [26] 38 Hình 2.10 Sơ đồ cấu tạo bộ hòa trộn nhiên liệu liên tục 40 Hình 2.11 Mô hình dòng chảy đối với cánh khuấy loại tua bin cánh

Hình 3.11 Mức độ hòa trộn 30% dầu cọ 74 Hình 3.12 Phân bố pha dầu cọ với số vòng quay 50 v/p 74 Hình 3.13 Phân bố pha dầu cọ với số vòng quay 60 v/p 75 Hình 3.14 Phân bố pha dầu cọ với số vòng quay 70 v/p 75 Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý mô hình đồng dạng bộ hòa trộn liên tục 76 Hình 3.16 Diễn biến áp suất môi chất trong xi lanh động cơ HANSHIN

6LU32 tại chế độ định mức

79

Hình 3.17 Diễn biến nhiệt độ môi chất trong xi lanh động cơ

HANSHIN 6LU32 tại chế độ định mức

80

Hình 3.18 Tốc độ tỏa nhiệt của khí cháy trong xi lanh động cơ

HANSHIN 6LU32 tại chế độ định mức

80

Hình 3.19 Sự phát thải NOx của động cơ HANSHIN 6LU32 tại chế độ

định mức

81

Hình 3.20 Diễn biến áp suất môi chất trong xi lanh động cơ HANSHIN

6LU32 tại chế độ 50% tải

81

Hình 3.21 Diễn biến nhiệt độ môi chất trong xi lanh động cơ

HANSHIN 6LU32 tại chế độ 50% tải

82

Hình 3.22 Tốc độ tỏa nhiệt của khí cháy trong xi lanh động cơ

HANSHIN 6LU32 tại chế độ 50% tải

82

Hình 3.23 Sự phát thải NOx của động cơ HANSHIN 6LU32 tại chế độ

50% tải

83

Hình 3.24 Diễn biến áp suất môi chất trong xi lanh động cơ HANSHIN

6LU32 tại chế độ 75% tải

83

Hình 3.25 Diễn biến nhiệt độ môi chất trong xi lanh động cơ

HANSHIN 6LU32 tại chế độ 75% tải

84

Hình 3.26 Tốc độ tỏa nhiệt của khí cháy trong xi lanh động cơ

HANSHIN 6LU32 tại chế độ 75% tải

Hình 4.4 Thời điểm bắt đầu cháy của nhiên liệu hỗn hợp trong động cơ

HANSHIN 6LU32 tại chế độ 50% tải

99

Hình 4.5 Thời điểm bắt đầu cháy của nhiên liệu hỗn hợp trong động cơ

HANSHIN 6LU32 tại chế độ 75% tải

100

Hình 4.6 Thời điểm bắt đầu quá trình cháy nhiên liệu trong xi lanh 101 Hình 4.7 Thời điểm cháy lớn nhất trong xi lanh 101

Hình 4.9 Sự sai khác lưu lượng phun so với nhiên liệu DO 104 Hình 4.10 Nhiệt tỏa ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu 105 Hình 4.11 Hàm lượng các chất độc hại trong khí thải động cơ diesel

6UL32

107

Hình 4.12 Đồ thị áp suất cháy với các loại nhiên liệu khác nhau 110 Hình PL1.1 Mô hình động cơ HANSHIN 6LU32 PL-8 Hình PL1.2 Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử xi lanh PL-9 Hình PL1.3 Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử vòi phun nhiên

cơ bằng hình ảnh VisioScope

PL-31

Hình PL5.4 Hệ thống thiết bị đo, kiểm soát khí thải AMA i60 R1 PL-32 Hình PL5.5 Hệ thống thiết bị hòa trộn nhiên liệu PL-32 Hình PL5.6 Thiết bị khuấy trộn thực tế PL-33 Hình PL5.7 Mô hình 3D của bộ hòa trộn đồng dạng PL-33

Hình PL5.8 Mô hình đồng dạng bộ hòa trộn liên tục PL-34 Hình PL5.9 Các mẫu hòa trộn dầu cọ - DO theo các tỷ lệ dầu cọ khác

cơ giới đường bộ, Trong lĩnh vực hàng hải, loại nhiên liệu này chủ yếu được sử dụng dưới dạng hòa trộn với nhiên liệu hóa thạch cho những động cơ thế hệ mới hoặc các động cơ được hoán cải đặc biệt Hạn chế lớn nhất khi sử dụng nhiên liệu sinh học cho các động cơ diesel tàu thủy là sự tách lớp nhanh của hỗn hợp nhiên liệu do các thiết bị hòa trộn nhiên liệu theo mẻ tạo ra

Ở Việt Nam, cơ sở hạ tầng sản xuất diesel sinh học còn nhiều hạn chế, trong khi các quy định về quản lý còn chưa được thiết lập, khả năng sử dụng diesel sinh học còn nhiều khó khăn Do đó, dầu thực vật nguyên gốc chưa qua quá trình este hóa đã và đang giành được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trong nước Trên cơ sở nghiên cứu các bộ hòa trộn theo mẻ và các phương pháp công nghệ sử dụng nhiên liệu sinh học, đặc biệt là dầu thực vật nguyên gốc cho các động cơ diesel nói chung và diesel thủy nói riêng, đề tài “Nghiên cứu phát triển thiết bị hòa trộn liên tục nhiên liệu hỗn hợp dầu thực vật - dầu diesel cho động cơ diesel tàu thuỷ cỡ vừa và nhỏ” là một giải pháp rất khả thi và có tính ứng dụng cao Đề tài có ý nghĩa thực tiễn, mang tính cấp thiết, thời sự, phù hợp với định hướng phát triển nhiên liệu sinh học của Việt Nam

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

* Mục đích nghiên cứu

Xây dựng cơ sở khoa học cho việc thiết kế và chế tạo thiết bị hòa trộn liên tục hỗn hợp dầu diesel (DO) và dầu thực vật (dầu cọ) dùng cho các động cơ diesel tàu thủy cỡ vừa và nhỏ và sử dụng trên thực tế hỗn hợp nhiên liệu sinh học này cho các động cơ diesel thủy

* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là các động cơ diesel thủy cỡ vừa và nhỏ, trong đó đối tượng trực tiếp là động cơ 6LU32 do hãng Hanshin (Nhật Bản) chế tạo Đây là động

cơ diesel thủy thế hệ cũ, với hệ thống cung cấp nhiên liệu truyền thống đặc trưng dùng trên tàu thủy

Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong khuôn khổ nghiên cứu phát triển thiết bị hòa trộn liên tục dầu cọ với dầu diesel, sau đó nhiên liệu hỗn hợp được thử nghiệm làm nhiên liệu thay thế cho một động cơ diesel đặt tại phòng thí nghiệm và một động

cơ diesel được lắp đặt trên tàu thủy

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm Nghiên cứu lý thuyết nhằm xây dựng được cơ sở khoa học tính toán thiết kế thiết bị hòa trộn liên tục phù hợp cho từng động cơ diesel tàu thủy cỡ vừa và nhỏ, đánh giá chất lượng hòa trộn nhiên liệu của thiết bị hòa trộn bằng mô phỏng số (phần mền chuyên nghiệp “Fluent-Ansys”) và chế tạo mô hình thử nghiệm theo phương pháp đồng dạng trong phòng thí nghiệm

Nghiên cứu thực nghiệm tiến hành với thiết bị hòa trộn liên tục thiết kế riêng cho động cơ 6LU32 lắp đặt tại Phòng thí nghiệm hệ động lực tàu thủy để đánh giá ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu hòa trộn tới sự làm việc của động cơ diesel tàu thủy Thiết bị hòa trộn này cũng được lắp đặt thử nghiệm trên tàu nhằm kiểm tra khả năng

áp dụng và kết nối thiết bị với hệ thống nhiên liệu hiện trang bị trên các tàu thực tế

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Việc xây dựng cơ sở khoa học thiết kế thiết bị hòa trộn liên tục hỗn hợp dầu thực vật – dầu diesel truyền thống cho các động cơ diesel tàu thủy cỡ vừa và nhỏ có ý nghĩa hết sức quan trọng Đó chính là một trong các giải pháp để đưa nhiên liệu sinh học, nhiên liệu “sạch” xuống tàu và sử dụng cho các động cơ diesel thủy hiện có của Việt Nam mà không cần tiến hành hoán cải hay sửa chữa lớn đối với bản thân động cơ và

hệ thống nhiên liệu Điều này một mặt giúp cho các công ty vận tải thủy giảm đáng kể

sự phụ thuộc vào việc nhập khẩu nhiên liệu và mặt khác cũng làm giảm được phát thải các chất độc hại gây ô nhiễm môi trường Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở để khẳng định thiết bị hòa trộn liên tục là giải pháp khả thi cho việc sử dụng nhiên liệu hỗn hợp dầu thực vật – dầu diesel trên tàu thủy và khắc phục được những hạn chế của phương pháp cấp hỗn hợp nhiên liệu sinh học theo mẻ từ nguồn hòa trộn có sẵn trên bờ Ngoài

ra, cũng khẳng định sử dụng dầu thực vật nguyên gốc để trộn với dầu diesel sẽ mang lại hiệu quả kinh tế hơn so với sử dụng diesel sinh học (loại nhiên liệu sinh học có giá thành rất cao đã và đang được dùng phổ biến trên thế giới)

Các kết quả của luận án có giá trị về phương pháp luận trong lĩnh vực cải tiến hệ thống cấp nhiên liệu của các động cơ diesel tàu thủy hiện có, để sử dụng nhiên liệu mới làm nhiên liệu thay thế ở điều kiện Việt Nam

Các nội dung chính trong đề tài

Luận án được thực hiện với 113 trang thuyết minh và 5 phụ lục, bao gồm những nội dung chính sau:

- Mở đầu

- Chương 1: Tổng quan

Trên cơ sở phân tích những đặc điểm riêng biệt của động cơ diesel thủy và các yêu cầu đối với nhiên liệu dùng trên tàu, xem xét khả năng sử dụng loại nhiên liệu sinh học phù hợp, những công trình nghiên cứu về ứng dụng nhiên liệu sinh học trong lĩnh vực vận tải thủy và công nghệ đã được nghiên cứu dùng cho các động cơ diesel thủy, từ đó định hướng nội dung nghiên cứu của luận án

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết về hòa trộn và đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu tới quá trình công tác của động cơ

Toàn bộ chương 2 tập trung vào phân tích cơ sở lý thuyết về hòa trộn và xây dựng cơ sở lý thuyết để thiết kế thiết bị hòa trộn liên tục dầu thực vật – dầu diesel để tạo nhiên liệu hỗn hợp làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel thủy Trong chương này cũng đưa ra cơ sở đánh giá sự ảnh hưởng của nhiên liệu đến hệ thống cấp nhiên liệu và quá trình cháy của nhiên liệu trong động cơ

- Chương 3: Thiết kế chế tạo bộ hòa trộn liên tục hỗn hợp dầu cọ và dầu diesel

Áp dụng kết quả nghiên cứu lý thuyết của chương 2 để xây dựng thuật toán và chương trình tính toán thiết bị hòa trộn dầu thực vật – dầu diesel Áp dụng phương pháp mô phỏng số (phần mềm Fluent-Ansys) và mô hình đồng dạng thu nhỏ nhằm phục vụ công tác đánh giá chất lượng trộn của thiết bị hòa trộn qua đó cũng cho phép hiệu chỉnh các thông số thiết kế của thiết bị nhằm đạt mức độ thiết kế tối ưu nhất

- Chương 4: Nghiên cứu thử nghiệm

Với sự hỗ trợ của các hệ thống trang thiết bị thí nghiệm hiện đại, đồng bộ, có độ chính xác cao thuộc Phòng thí nghiệm hệ động lực, Khoa Máy tàu biển và tàu thực tập “Sao biển”, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, các kết quả thử nghiệm được phân tích và đánh giá, khẳng định về mặt kỹ thuật quá trình làm việc của thiết bị hòa trộn liên tục

- Kết luận và kiến nghị

Phần này trình bày những đóng góp mới của luận án trong lĩnh vực chuyên ngành và hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài

- Các phụ lục

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Đặc điểm công tác của động cơ diesel thủy và những yêu cầu đối với

nhiên liệu dùng trên tàu

1.1.1 Những đặc điểm riêng biệt của động cơ diesel thủy

Động cơ diesel lắp trên tàu thủy thường đảm nhận chức năng làm động cơ chính (lai chân vịt) hoặc động cơ phụ (động cơ lai máy phát điện hoặc các thiết bị phục vụ hệ động lực khác) Ngoài những đặc điểm cấu tạo chung, động cơ diesel thủy có nhiều đặc điểm riêng biệt so với các động cơ diesel lắp cố định hoặc trang bị trên các phương tiện vận tải đường bộ Điều này xuất phát từ yêu cầu đặc biệt về tính năng, chế

độ làm việc, điều kiện khai thác và lắp đặt, cũng như các quy định và luật định hiện hành Trên thực tế, người ta phân loại động cơ diesel thủy theo vòng quay và công suất thành 3 loại như trên bảng 1.1

Bảng 1.1 Phân loại động cơ diesel thủy [41]

THÔNG SỐ KĨ THUẬT LOẠI ĐỘNG CƠ DIESEL

Cao tốc-4 kì Trung tốc-4 kì Thấp tốc-hai kì Tốc độ trung bình của

piston [m/s] > 8,5 6,5 ÷ 8,5 ≤ 6,5

Tốc độ vòng quay trục

khuỷu [v/p] 960- 3.000 400-1.000 50-250 Công suất [kW] Đến 5.000 500-30.000 1.500-100.000 Động cơ diesel dùng làm động cơ chính trên tàu thủy cần có công suất lớn, có khả năng hoạt động ổn định, tin cậy trong một thời gian dài, liên tục, trong môi trường thường xuyên thay đổi về các điều kiện vật lý (nhiệt độ, độ ẩm, ) và hóa học (tỷ lệ muối trong không khí) Với những yêu cầu về an toàn, độ tin cậy và tính kinh tế đã được nêu tại Công ước về “An toàn sinh mạng trên biển - SOLAS 74” của Tổ chức Hàng hải Quốc tế (IMO), các động cơ diesel được sử dụng trên các tàu vận tải biển thường được thiết kế làm việc với vòng quay từ 50 v/p (động cơ hai kì công suất lớn) đến dưới 1500 v/p (động cơ bốn kỳ lai máy phát điện hoặc lai chân vịt ở các tàu cỡ nhỏ), còn các loại động cơ có vận tốc cao hơn như được phân loại tại bảng 1.1 có thể được lắp đặt trên các tàu cỡ nhỏ phục vụ mục đích du lịch hoặc các dịch vụ khác Trong quá trình thiết kế và chế tạo, vòng quay công tác của động cơ sẽ quyết định thời gian cấp nhiên liệu vào động cơ và theo đó là loại nhiên liệu thích hợp Để thấy được bức tranh về loại nhiên liệu thích hợp với từng loại động cơ, trên bảng 1.2, lấy giá trị

vòng quay của một số loại động cơ tiêu biểu để tính toán và cho thấy thời gian cấp nhiên liệu vào động cơ phụ thuộc vào tốc độ làm việc của chúng [41]

Bảng 1.2 Thời gian cấp nhiên liệu phụ thuộc vào tốc độ làm việc [41]

Thông số

LOẠI ĐỘNG CƠ

3000 v/p 1500 v/p 600 v/p 94 v/p Thời gian phun nhiên liệu

/ 0

30 GQTK/ [s] 0,0016 0,0033 0,0083 0,044

Số lần phun nhiên liệu trong

Như vậy, theo số liệu như trên cho thấy:

- Động cơ diesel tốc độ cao (từ 1500 -3000 v/p), thời gian cấp nhiên liệu vào động cơ rất ngắn và chỉ xảy ra trong vòng từ 0,0016 đến 0,0033 giây Đối với loại động cơ này, nhiên liệu được sử dụng là dầu diesel nhẹ MGO (Marine Gas Oil) với chất lượng cao và giá thành tương đối đắt Nếu sử dụng dầu nặng HFO (Heavy Fuel Oil) với chất lượng kém hơn sẽ gây ảnh hưởng xấu đến quá trình công tác của động

cơ, bởi vì dầu nặng HFO cần thời gian bốc hơi dài hơn để hòa trộn với không khí tạo thành hỗn hợp cháy hoàn chỉnh;

- Đối với động cơ diesel tốc độ trung bình và thấp (từ 600 đến 94 v/p), thời gian cấp nhiên liệu sẽ dài hơn so với loại động cơ cao tốc và xảy ra từ 0,0083 đến 0,044 giây Với đặc tính như vậy, động cơ diesel loại này có thể sử dụng được HFO với chất lượng và giá thành thấp hơn

Với những đặc điểm kĩ thuật như vậy, các động cơ diesel thủy thường khá “dễ tính” trong quá trình sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau, từ nhiên liệu chưng cất đến HFO Thực tế, nhằm tăng tính kinh tế trong quá trình khai thác đối với động cơ diesel trung tốc và thấp tốc trên tàu, HFO thường được dùng chủ yếu Nhiên liệu chưng cất có độ nhớt thấp thường được dùng trong các chế độ làm việc không ổn định, chế độ chuyển tiếp nhằm đảm bảo các thông số công tác động cơ Mỗi một loại nhiên liệu đều có những tính chất đặc trưng riêng, đáp ứng yêu cầu của động cơ theo cấu tạo,

sự hoạt động và khai thác động cơ như: tỷ trọng, nhiệt trị, độ nhớt, nhiệt độ đông đặc, nhiệt độ bén lửa, trị số Xê tan, hàm lượng tro, hàm lượng lưu huỳnh, hàm lượng nước v.v

Chính vì vậy, các tàu vận tải biển thường dùng động cơ 2 kỳ thấp tốc (50  210 v/p) làm động cơ chính Trong khi đó, các động cơ phụ thường dùng loại động cơ diesel 4 kỳ có hoặc không tăng áp, vòng quay cao Với các loại tàu chuyên dụng như các tàu kéo, phà, tàu cá chạy biển, các loại động cơ diesel trung tốc và cao tốc (có thể

>1500 v/p) được sử dụng rộng rãi làm động cơ chính Hiện nay, ở Việt Nam có tới gần

như 100% tàu sông và tàu pha sông biển trang bị thiết bị năng lượng diesel Số lượng tàu biển cũng chiếm đến 95  97% tổng số có lắp đặt thiết bị năng lượng diesel

1.1.2 Nhiên liệu dùng cho động cơ diesel tàu thủy

Thông thường, nhiên liệu được dùng cho động cơ diesel sẽ được quyết định bởi chính những đặc tính kỹ thuật đặc trưng của động cơ như được nêu ở phần 1.1.1 Vì vậy, Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế (ISO) đã đưa ra những tiêu chuẩn đối với các loại nhiên liệu thích hợp với các loại động cơ diesel, trong đó có động cơ diesel thủy Các tiêu chuẩn mang tính bắt buộc đối với nhiên liệu dùng cho động cơ diesel thủy dựa trên các tính chất của nhiên liệu như: tỷ trọng, nhiệt trị thấp, trị số Xê tan, thành phần lưu huỳnh Đây cũng là cơ sở để đánh giá sự phù hợp, độ tin cậy và an toàn của một loại nhiên liệu khi sử dụng làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel thủy Vấn đề này là tiền đề để luận án đề cập đến ở các chương sau

Theo tiêu chuẩn của Mỹ, dầu diesel được chia thành 6 loại khác nhau được đánh số từ 1 tới 6 tùy thuộc vào điểm sôi, thành phần hóa học, mục đích sử dụng và độ nhớt (độ nhớt càng cao thì chỉ số càng cao) Độ nhớt của dầu diesel số 6 là cao nhất và của số 1 là thấp nhất Các loại dầu diesel đánh số từ số 1 tới 3 thường là dạng dầu diesel chưng cất Dầu diesel số 1 chính là dầu hỏa, hay còn có tên là dầu hơi vì khi đốt nóng dầu sẽ hóa hơi hoàn toàn Dầu diesel số 2 (hay còn gọi là dầu DO) là dầu diesel được dùng chủ yếu cho các động cơ diesel bộ và diesel thủy với các tính chất như trên bảng 1.3 Dầu diesel số 6 chính là phần còn lại của dầu thô sau khi tất cả các thành phần như xăng, dầu hỏa và thành phần dầu đốt số 2 bay hơi lên, nên còn được gọi là dầu cặn hay dầu nặng Dầu diesel số 4 là sản phẩm hòa trộn dầu diesel số 2 và dầu cặn diesel số 6 Dầu diesel số 5 cũng là sản phẩm hòa trộn của hai loại trên nhưng với tỉ lệ dầu cặn diesel số 6 trong hỗn hợp cao hơn và lên tới 75% khối lượng

Bảng 1.3 Thông số đặc trưng của dầu diesel số 2 (DO) [45]

1 Hàm lượng lưu huỳnh % khối lượng 0,36 EETD 86

2 Nhiệt độ chớp cháy cốc hở 0C 91 EETD 84

3 Trọng lượng riêng ở 150C kg/m3 846,4 EETD 84

4 Nhiệt độ chảy loãng 0C -27 Mackay 82b

Dầu này được dùng cho các động cơ diesel cao tốc dạng nhỏ làm việc trong điều kiện nhiệt độ thấp;

- Dầu MDO: sản phẩm chính trong trong quá trình chưng cất, chỉ chứa 15-20% cặn, được chưng cất ở độ sôi 230-3450C Dầu này thường dùng cho các động cơ diesel cao tốc;

- Dầu IFO: dầu trộn giữa dầu số 2 với dầu nặng với tỷ lệ dầu số 2 ít hơn dầu số 6;

- Dầu MFO: nhiên liệu trộn giữa dầu số 2 với dầu nặng mà lượng số 2 còn ít hơn trong IFO;

- Dầu HFO: Dầu cặn tương đương với dầu diesel số 6, là hỗn hợp các sản phẩm dầu còn lại của quá trình chưng cất dầu mỏ Loại dầu này có độ nhớt động học

từ 30 đến 700 cSt và thường được hâm nóng đến khoảng nhiệt độ cao (lớn nhất

1500C), trước khi cấp cho động cơ; thường dùng cho các động cơ thấp tốc Hiện nay, tiêu chuẩn đối với các loại nhiên liệu có nguồn gốc dầu mỏ sử dụng trên tàu thủy được các chủ tàu và chính quyền hàng hải đặc biệt quan tâm là tiêu chuẩn ISO 8217:2005 / ISO 8217:2010 Do đó, đối với nhiên liệu thay thế cũng cần phải có các đặc tính đảm bảo tính tương đồng theo tiêu chuẩn này để áp dụng như: độ nhớt, tỷ trọng, nhiệt trị, trị số Xê tan, hàm lượng nước, lưu huỳnh,

Bảng 1.4 Nhiên liệu tàu thủy theo tiêu chuẩn ISO 8217:2005 [41]

Thông số Đơn vị Giới hạn

DMX DMA DMB DMC Khối lượng riêng ở 150C kg/m3

Lớn nhất - 890 900 920

Độ nhớt động học ở

Nhỏ nhất 1,4 1,5 - - Lớn nhất 5,5 6,0 11,0 14,0 Nhiệt độ chớp cháy 0

C Nhỏ nhất 43 60 60 60 Nhiệt độ chảy loãng,

lượng Lớn nhất 0,01 0,01 0,01 0,05

- Điểm chớp cháy của nhiên liệu sử dụng cho động cơ diesel chính trên tàu thủy không được nhỏ hơn 600C;

- Nhiệt độ hâm của nhiên liệu phải thấp hơn điểm chớp cháy trong phạm vi 100C;

- Nhiên liệu cần có độ ổn định cao, đảm bảo sao cho các thành phần nặng trong nhiên liệu không được tách rời và lắng xuống đáy két Vì các con tàu thường hoạt động dài ngày trên biển nên phải tích trữ một lượng nhiên liệu lớn (hàng nghìn tấn dầu) và làm việc trong điều kiện khí tượng luôn thay đổi;

- Do các động cơ diesel thủy thường là các động cơ trung tốc hoặc thấp, nên có khả năng sử dụng được các loại nhiên liệu với chất lượng không cao, có các thành phần cặn cơ học, lưu huỳnh tương đối lớn Đây chính là nguồn gây ô nhiễm về môi trường tương đối lớn của các phương tiện vận tải thủy

Một vấn đề khác đối với nhiên liệu sử dụng trên tàu liên quan đến chế độ khai thác của các động cơ diesel thủy đó là những ảnh hưởng tiêu cực tới môi trường Trong khí xả của động cơ diesel thường có nhiều thành phần độc tố khác nhau gây tác hại tới môi trường, trong đó NOx, COx, và SO2 chiếm thành phần chủ yếu với hàm lượng khoảng trên 80% theo khối lượng Hàm lượng phát thải độc hại này tăng lên nhiều khi động cơ làm việc ở các chế độ không ổn định Như vậy, với số lượng phương tiện vận tải thủy lớn như hiện nay, có thể thấy được nguồn ô nhiễm khí thải từ tàu đóng góp một phần đáng kể trong ô nhiễm môi trường sống chung của cả thế giới

1.1.3 Những yêu cầu về sử dụng nhiên liệu tiết kiệm và ngăn ngừa ô nhiễm do

khí thải từ tàu

Trong những năm gần đây, Tổ chức Hàng hải quốc tế (IMO) đã nỗ lực đưa ra nhiều quy định về sử dụng năng lượng hiệu quả trên tàu, từ đó kiểm soát lượng khí nhà kính sinh ra, cụ thể hóa bằng các tiêu chuẩn kỹ thuật và khai thác như sau:

- Chỉ số thiết kế năng lượng hiệu quả (EEDI);

- Chỉ số khai thác sử dụng năng lượng hiệu quả (EEOI);

- Hệ thống quản lý năng lượng hiệu quả trên tàu (SEEMP)

Chỉ số thiết kế năng lượng hiệu quả (EEDI) có thể coi là một trong những tiêu chuẩn kỹ thuật nhằm giảm thiểu khí CO2 do tàu sinh ra Ủy ban Bảo vệ môi trường biển (MEPC) của IMO đã và đang không ngừng hoàn thiện bộ quy định này nhằm áp dụng cho các đội tàu từ năm 1997 Vào 7/2011, những quy định áp dụng bắt buộc EEDI, SEEMP đã được thông qua và SEEMP đã được đưa chính thức vào Phụ lục VI của Công ước quốc tế về Ngăn ngừa ô nhiễm do tàu gây ra (MARPOL73/78) áp dụng cho tất cả các tàu hiện tại và tàu đóng mới có dung tích từ 400 trở lên Tiếp theo đó, bản phụ lục sửa đổi Phụ lục VI của MARPOL 73/78 có hiệu lực từ ngày 1/1/2013 với việc bổ sung thêm một Chương 4 “Quy định về Hiệu quả sử dụng năng lượng của tàu” Bảng 1.5 dưới đây là đưa ra một số chỉ dẫn cụ thể thực hiện các quy định SEEMP của Đăng kiểm Lloyd (Anh)

Bảng 1.5 Hướng dẫn quản lý năng lượng hiệu quả trên tàu của Cơ quan

Đăng kiểm Lloyd (Anh) [44]

Để giảm suất tiêu hao nhiên liệu, cần chú ý đến các thiết lập động cơ tối ưu của hãng sản xuất, thời gian đến cảng cũng như có bến khả dụng hay không

Tối ưu hóa công suất động cơ

Tăng hiệu suất nhờ thiếp lập động cơ hoạt động ở số vòng quay cố định

Loại nhiên liệu Khả năng sử dụng các loại nhiên liệu thay

thế

Các số liệu đo

đạc khác

Sử dụng các phần mềm máy tính để tính toán suất tiêu hao nhiên liệu; sử dụng các nguồn năng lượng tái sinh; sử dụng năng lượng trên bờ

Nhằm làm giảm mức độ ô nhiễm môi trường từ khí xả động cơ diesel, IMO cũng đã đưa ra những tiêu chuẩn bắt buộc được quy định trong phụ lục II, phụ lục VI, MARPOL 73/78 quy định về tiêu chuẩn hàm lượng các chất độc hại trong khí xả động

cơ diesel, đặc biệt là NOx Đối với các nhiên liệu có được bằng các phương pháp không phải là tinh lọc dầu mỏ, phải thỏa mãn [3]:

- Hàm lượng lưu huỳnh không được vượt quá:

÷ Trước ngày 1/1/2012: 4,5 %m/m;

÷ Sau ngày 1/1/2012: 3,5 % m/m;

÷ Sau ngày 1/1/2020: 0,5 %m/m;

- Phát thải NOx không vượt quá các giới hạn nêu trong bảng 1.6

Trên thực tế, vận tải biển được xem là ngành vận tải có chi phí nhiên liệu trên một tấn - hải lý nhỏ nhất và có lợi thế hơn so với các hình thức vận tải khác nhờ khả năng vận chuyển một lượng hàng hóa lớn, tầm hoạt động có khoảng cách xa nhưng chỉ với chi phí nhiên liệu tối thiểu Tuy nhiên, khai thác tàu biển đang gặp một số vấn đề sau:

- Chi phí nhiên liệu lớn, hiệu quả sử dụng nhiên liệu chưa cao;

- Quản lý kỹ thuật và khai thác tàu còn lỏng lẻo, gần như bị động

Bảng 1.6 Tiêu chuẩn phát thải NO x [3]

Tiêu chuẩn áp dụng Tổng khối lượng phát thải NO x [g/kWh]

hoặc sau ngày 1/1/2000 và

trước 1/1/2011

17,0 45,0 x n(-0,2) 9,8

Đối với tàu lắp động cơ vào

hoặc sau ngày 1/1/2011 14,4 44,0 x n

(-0,2)

7,7 Đối với tàu lắp động cơ vào

hoặc sau ngày 1/1/2016 3,4 9,0 x n

(-0,2)

2,0

Các vấn đề đã nêu tác động xấu đến hiệu quả khai thác tàu đặc biệt khi mà giá nhiên liệu và các chi phí vận tải liên quan liên tục có xu hướng tăng lên trong khi cước vận tải giảm Do đó, vấn đề sử dụng và quản lý nhiên liệu hiệu quả được quan tâm một cách đặc biệt Ở Việt Nam, Quốc hội đã phê chuẩn bộ Luật về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả vào ngày 17/6/2010, trong đó Chương IV quy định riêng cho ngành Giao thông vận tải Theo đó, ngày 2/10/2012, Chính phủ đã ra Quyết định số 1427/QĐ-TTg phê duyệt chương trình mục tiêu quốc gia về “Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả giai đoạn 2012 – 2015”, với một trong những mục tiêu nổi bật là

“Phát triển hệ thống giao thông vận tải đáp ứng nhu cầu vận tải với chất lượng ngày càng cao, tiết kiệm nhiên liệu, hạn chế gây ô nhiễm môi trường Đẩy mạnh ứng dụng công nghệ mới, sử dụng năng lượng tái tạo thay thế nhiên liệu truyền thống trong giao

thông vận tải” Để hiện thực hóa vấn đề này, Chính phủ tập trung “Ứng dụng công nghệ mới, năng lượng tái tạo trong giao thông vận tải” với các nội dung chủ yếu [8]:

- Áp dụng các sáng kiến cải tiến kỹ thuật và công nghệ mới trong giao thông vận tải nhằm tiết kiệm năng lượng, giảm phát thải chất ô nhiễm ra môi trường;

- Triển khai ứng dụng năng lượng tái tạo, năng lượng thay thế nhiên liệu truyền thống (CNG, LPG, LNG, nhiên liệu sinh học, năng lượng điện, năng lượng có tiềm năng khác) đối với phương tiện, thiết bị giao thông vận tải nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng

1.2 Nhiên liệu sinh học và xu thế ứng dụng trên tàu thủy

1.2.1 Khái niệm chung về nhiên liệu sinh học

Nhiên liệu sinh học được sản xuất từ các hợp chất có nguồn gốc động vật hoặc thực vật như mỡ động vật, dầu dừa, dầu cọ, các loại ngũ cốc (lúa mỳ, ngô, đậu tương), các phế thải nông nghiệp (rơm rạ, thân cây ngô, đỗ), phế thải công nghiệp (mùn cưa,

gỗ thải), So với các loại nhiên liệu truyền thống, nhiên liệu sinh học có nhiều ưu điểm nổi bật như: không làm tăng hiệu ứng nhà kính, giảm ô nhiễm môi trường Hơn nữa, nguồn nhiêu liệu sinh học có khả năng tái sinh từ các hoạt động sản xuất nông nghiệp, do đó sẽ giảm sự lệ thuộc vào nguồn nhiên liệu truyền thống không có khả năng tái sinh Tùy thuộc vào phương thức sản xuất và mục đích sử dụng, nhiên liệu sinh học có thể phân thành các nhóm chính: dầu thực vật nguyên gốc và nhiên liệu sinh học sau quá trình chế biến Dầu thực vật nguyên gốc được chiết xuất rất đơn giản, chỉ cần trải qua quá trình ép các loại hạt có dầu (cọ, hạt cải, hạt hướng dương, vừng, lạc ), sau đó lọc bỏ hết cặn và nước là có thể sử dụng như một loại nhiên liệu Động

cơ diesel đầu tiên do Rudolf Diesel chế tạo đầu tiên vào năm 1893 cũng chạy bằng nhiên liệu này Nhiên liệu sinh học đã qua chế biến bao gồm diesel sinh học (biodiesel), xăng sinh học (etanol) và khí tự nhiên (biogas) Trong các nhóm này, xăng sinh học được dùng phổ biến cho động cơ xăng, diesel sinh học phù hợp với động cơ diesel Trong số các loại nhiên liệu sinh học, hai loại được quan tâm nhiều hơn cả trong luận án: diesel sinh học và dầu thực vật nguyên gốc và sẽ được phân tích sâu hơn

ở các phần sau nhằm làm cơ sở cho mục tiêu nghiên cứu tiếp theo

1.2.2 Diesel sinh học

Diesel sinh học được chiết xuất từ dầu thực vật nguyên gốc hay mỡ động vật có tính chất tương đương với dầu diesel Về mặt hóa học, diesel sinh học được cấu tạo bởi 14 loại axit béo khác nhau và được chuyển hóa thành este của các axit béo - FAME (Fatty Acid Methyl Este) [32] Trên bảng 1.7 cho thấy nguồn nguyên liệu để sản xuất diesel sinh học

Bảng 1.7 Nguồn nguyên liệu sản xuất diesel sinh học [32]

Dầu thực vật Dầu động vật Các nguồn khác

- Dầu hoa rum

- Dầu hoa hướng dương

- Dầu mù tạt

- Dầu mè (Jatropha curcas)

Cơ chế để chiết xuất diesel sinh học là dựa trên biến đối cấu trúc phân tử phân nhánh lớn của các nguồn nguyên liệu trên (bảng 1.7) chuyển sang các cấu trúc phân tử mạch thẳng hơn (các methyl este) giống như thành phần của dầu diesel Quá trình biến đổi này cần có sự tham gia của ethanol hoặc methanol và chất xúc tác là NaOH hoặc KOH Kết quả phản ứng sẽ tạo ra các methyl este hoặc ethyl este (bao gồm thành phần của biodiesel) và glyxerin như được thể hiện tại hình 1.1

Hình 1.1 Phản ứng este hóa tạo diesel sinh học (biodiesel) [54]

Theo tiêu chuẩn của Hiệp hội Vật liệu và Thử nghiệm Hoa Kỳ - ASTM (American Society of Testing and Materials), tính chất của diesel sinh học được thể hiện trong bảng 1.8

Bảng 1.8 Đặc tính lý hóa của diesel sinh học [32]

Tỷ lệ nước và tạp chất lớn nhất 0,05% thể tích

Độ nhớt động học [400C] 1,9 ÷ 6,0 cSt Lượng lưu huỳnh lớn nhất 0,05% khối lượng

Lượng cacbon còn lại lớn nhất (thử mẫu với 100% cacbon) 0,05% khối lượng Lượng glyxerin tự do lớn nhất 0,02% khối lượng Tổng lượng glyxerin lớn nhất 0,24% khối lượng Hàm lượng photpho lớn nhất 0,001% khối lượng Cũng theo ASTM, sự khác nhau về tính chất của diesel sinh học và dầu diesel được thể hiện như trong bảng 1.9

Bảng 1.9 Đặc tính nhiên liệu của dầu diesel và diesel sinh học [32]

(ASTM D975)

Diesel sinh học (ASTM PS 121)

Cấu trúc nhiên liệu C10 - C21 HC C12 - C22 FAME

Độ nhớt động học ở 400C, [cSt] 1,3 ÷ 4,1 1,9 ÷ 6,0

Khối lượng riêng ở 150C, [kg/m3] 0,085 0,088

Hàm lượng nước, [% khối lượng] 161 0,05% (lớn nhất)

Lượng lưu huỳnh, [% khối lượng] 0,05 (lớn nhất) 0 – 0,0024

Khi phân tích sâu hơn và so sánh giữa diesel sinh học và dầu diesel cho thấy:

- Về cấu trúc, diesel sinh học có hàm lượng các bon (C), lưu huỳnh (S) và nước thấp hơn dầu diesel, nhưng lại có thêm hàm lượng ô xy trong thành phần Hàm lượng các bon thấp sẽ làm giảm phát thải khí CO, CO2 và muội trên đường xả Lượng lưu huỳnh thấp và gần như không có, nên không sinh ra SO2, một loại khí gây ảnh hưởng đến đường hô hấp, suy tim, viêm phổi và là tác nhân gây ra mưa axit Thành phần ô xy tạo điều kiện cho diesel sinh học cháy hoàn toàn hơn dầu diesel, giảm phát thải CO và nhiên liệu không cháy hết (hydrocacbon-HC);

- Diesel sinh học có chỉ số Xê tan cao hơn dầu diesel do có hàm lượng ô xy trong thành phần Chỉ số Xê tan là một đại lượng đặc trưng cho khả năng tự cháy của nhiên liệu khi phun vào trong động cơ, chất lượng quá trình cháy và thời gian cháy trễ Chỉ số Xê tan của diesel sinh học từ 48 – 65 và thay đổi tùy thuộc vào sự khác nhau thành phần axit béo có trong nguyên liệu sản xuất nhiên liệu loại này và mức độ bão hòa của các axit béo Thông thường, dầu diesel có trị số Xê tan từ 40 – 46 và dầu diesel chất lượng cao có trị số từ 45 – 50 Trên bảng 1.10 cho thấy kết quả so sánh phát thải khí độc hại giữa nhiên liệu hỗn hợp B20 với dầu diesel Trừ khí NOx tăng khoảng 2%, còn các loại khí thải khác đều thấp hơn từ 10,1 đến 21,1% so với dầu diesel truyền thống [23];

Bảng 1.10 So sánh mức độ phát thải khi sử dụng B20 với dầu diesel

- Diesel sinh học có đặc tính bôi trơn cao, làm giảm ma sát và mài mòn động

cơ Thực tế, 1% diesel sinh học trong hỗn hợp có thể làm tăng đặc tính bôi trơn của nhiên liệu lên 65% Hiện nay, diesel sinh học B2 được dùng như một chất phụ gia làm tăng đặc tính bôi trơn và làm sạch vòi phun của nhiên liệu ở một số quốc gia;

- Diesel sinh học dễ hòa tan trong nước hơn so với dầu diesel do cấu trúc của nó tương đối đơn giản, bao gồm mạch các bon thẳng với 2 nguyên tử ô xy ở cuối, rất dễ

bị biến đổi bởi vi khuẩn có trong môi trường nước Sau cùng thời gian 28 ngày, 95% diesel sinh học bị phân rã trong nước, trong khi chỉ có 40% dầu diesel bị phân hủy Khi sử dụng hỗn hợp diesel sinh học với dầu diesel, khả năng phân hủy và hòa tan trong nước của dầu diesel có thể tăng lên gấp 3 lần Bên cạnh những ưu điểm nổi bật

về nâng cao chất lượng quá trình cháy, giảm phát thải về các khí gây hiệu ứng nhà kính, muội và các hỗn hợp cháy không hết, diesel sinh học còn có hiệu quả rõ rệt trong việc giảm mức độ ô nhiễm nước và môi trường thủy hơn so với dầu diesel, đặc biệt là khi áp dụng trên các tàu, thuyền hoạt động trong các vùng nước có yêu cầu khắt khe

về chống ô nhiễm môi trường thủy;

- So sánh các phản ứng hóa học trong quá trình cháy lý thuyết giữa dầu diesel (C16H34) và diesel sinh học (C19H36O2): tỷ lệ không khí - nhiên liệu đối với dầu diesel

là 14,9:1, còn đối với diesel sinh học là 12,5:1 Điều này cho thấy với thành phần ô xy trong cấu trúc, quá trình cháy của diesel sinh học diễn ra tốt hơn so với dầu diesel khi cùng lượng không khí nạp Tuy nhiên, thành phân ô xy cùng là nguyên nhân chính làm giảm nhiệt trị thấp của nhiên liệu và làm cho nhiên liệu phân cực thông qua thành phần –OH Ngoài ra, diesel sinh học có chứa một lượng lớn các chuỗi các bon không bão hòa (olefin), tính ổn định thấp, nên thường gây nên hiện tượng lắng đọng trong két chứa và hệ thống phân phối Bản chất là một hợp chất bao gồm vài thành phần chủ đạo, có các nhiệt độ đông đặc khác nhau, nên sự đông đặc hóa xảy ra nhanh và khó kiểm soát Đây là một trong những trở ngại lớn nhất khi đưa diesel sinh học sử dụng trên tàu thủy

Trên cơ sở những phân tích và đánh giá về diesel sinh học nêu trên, có thể rút ra một số nhận xét như sau:

- Với những đặc tính tương đồng với dầu diesel truyền thống, diesel sinh học đã được triển khai áp dụng tương đối phổ biến tại các quốc gia phát triển và mang lại những lợi ích về môi trường, trong khi vẫn đáp ứng các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của các phương tiện giao thông đường bộ (xe ô tô, xe tải đường dài, xe chở rác, xe buýt công cộng, xe đưa thư, tàu hỏa, ), các động cơ diesel lai các trạm phát điện cố định, lò hơi sưởi ấm các tòa nhà, phụ gia nhiên liệu cho các động cơ (B2, B5) Diesel sinh học hòa trộn với dầu diesel theo một tỷ lệ nhất định có thể sử dụng được trực tiếp cho động cơ diesel mà không yêu cầu nhiều sửa đổi;

- Tuy vậy, diesel sinh học là sản phẩm chiết xuất từ dầu thực vật nguyên gốc hoặc mỡ cá, thông qua quá trình este hóa nhằm loại bỏ glixerin trong thành phần, do đó chịu tác động của các yếu tố kinh tế, xã hội về quy hoạch nguồn nguyên liệu sản xuất, quy mô, công nghệ sản xuất, dẫn đến giá thành khá cao và chưa cạnh tranh được với dầu diesel truyền thống;

- Đối với lĩnh vực hàng hải, tuy diesel sinh học đã và đang được sử dụng trên các phương tiện thủy như tàu chiến, thuyền đánh cá, du lịch, phà biển, thuyền du lịch nhỏ tại các vùng biển, vùng hồ yêu cầu cao về môi trường, nhưng đối với những chủng loại tàu thương mại, tàu hàng có đặc thù riêng (thời gian hành trình dài trên biển, chế độ làm việc thay đổi thường xuyên, điều kiện môi trường thay đổi, ), lượng nhiên liệu tiêu thụ lớn, chi phí nhiên liệu ảnh hưởng trực tiếp đến chỉ tiêu kinh tế của quá trình khai thác, nên diesel sinh học vẫn chỉ được sử dụng rất hạn chế và chủ yếu cho các động cơ diesel lai máy phát điện trên tàu

1.2.3 Dầu thực vật nguyên gốc

Dầu thực vật nguyên gốc, theo tiếng Anh: Pure Plant Oil (PPO) được sử dụng phổ biến ở các nước Châu Âu hoặc Straight Vegetable Oil (SVO) được sử dụng rộng rãi ở Hoa Kỳ Đây là một trong hai dạng sản phẩm chính trong quá trình sản xuất nhiên liệu từ nguồn chất béo (dầu thực vật và mỡ động vật) Dầu thực vật nguyên gốc được sản xuất bằng phương pháp ép trực tiếp từ nguồn nguyên liệu thô, qua quá trình lọc bỏ tạp chất và nước Nó chính là nguồn nguyên liệu chủ yếu tạo ra diesel sinh học sau khi cho qua công đoạn este hóa

Về cấu trúc phân tử, dầu thực vật nguyên gốc bao gồm chủ yếu triglyceride Mỗi triglyceride có một phân tử glyrerol kết hợp với ba phân tử a-xít béo (fatty acid), các phân tử a-xít béo lại có cấu tạo bao gồm chuỗi dài các nguyên tử các-bon kết hợp đơn với các nguyên tử hydro và kết thúc là các nhóm các-bô xila Tuy khác nhau về cấu trúc phân tử, nhưng dầu thực vật nguyên gốc vẫn có những tính chất nhiên liệu khá tương đồng với dầu diesel truyền thống (bảng 1.11)

Bảng 1.11 Tính chất hóa lý của các loại nhiên liệu [32]

Loại Tỷ trọng

ở 150C [kg/m3]

Độ nhớt động [cSt]

Trị số Cetan

Nhiệt trị cao [MJ/kg]

Nhiệt

độ bén lửa [0C]

Nhiệt

độ chảy [0C]

Thành phần lưu huỳnh [%]

DO 820-890 1,6-5,9 >50 >45,0 > 61 - 1,0

FO 920-990 đến 180 >30 >43,0 > 66 15 < 3

Dầu ngô 910 31-35 38 39,5 277 -40 0,01 Hạt bông 915 34 42 38,7-39,5 234 -15 0,01

Trên cơ sở các tính chất nhiên liệu của dầu thực vật nguyên gốc, có thể rút ra được một số nhận xét sau:

- Độ nhớt động học của dầu thực vật nguyên gốc (SVO) cao hơn nhiều so với dầu diesel bởi do SVO có chuỗi các bon rất dài, có các triglyceride chưa bão hòa rất dễ dàng để tạo các mạch cao phân tử (polymerization) khi ở nhiệt độ môi trường và nhiệt

độ thấp Thông thường, SVO có độ nhớt động học ở 400C dao động từ 30 đến 40 cSt, khoảng từ 10 đến 15 lần cao hơn dầu diesel DO Với độ nhớt cao như vậy, dầu thực vật nguyên gốc không đáp ứng được yêu cầu về tiêu chuẩn nhiên liệu dầu diesel theo ASTM D36 Như vậy, nếu sử dụng dầu thực vật nguyên gốc trực tiếp làm nhiên liệu

cho các động diesel thủy cỡ vừa và nhỏ đã được thiết kế để làm việc với dầu diesel sẽ gặp những trở ngại nhất định như làm giảm tốc độ phun do độ nhớt cao tại bơm cao

áp, phin lọc và vòi phun; chất lượng phun sương kém tại vòi phun và nhiên liệu bốc hơi kém dẫn đến cháy không hoàn thiện trong buồng đốt động cơ Đây là một trong các nguyên nhân quan trọng hạn chế sử dụng trực tiếp dầu thực vật nguyên gốc làm nhiên liệu cho động cơ diesel cỡ vừa và nhỏ;

- Tuy nhiên, tương tự như diesel sinh học, dầu thực vật nguyên gốc hoàn toàn là dạng nhiên liệu tái tạo được và có khả năng giảm thiểu các phát thải độc hại đến môi trường khi sử dụng Với tính chất như vậy, dầu thực vật có một ưu thế nổi trội hơn hẳn

so với dầu diesel và diesel sinh học là không có thành phần lưu huỳnh, giá thành rẻ hơn so với diesel sinh học, gần tương đương với dầu diesel DO, nên dầu thực vật nguyên gốc đang rất được quan tâm để làm nhiên liệu thay thế nhiên liệu hóa thạch đối với động cơ diesel thủy hiện nay

1.3 Tổng quan về nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học cho tàu thủy

Năm 2009, Ủy ban nghiên cứu về Khí nhà kính của IMO đã tổng hợp 7 loại nhiên liệu có khả năng dùng trong lĩnh vực hàng hải: nhiên liệu dầu khoáng chưng cất, dầu nặng, LNG, LPG, nhiên liệu sinh học (diesel sinh học và dầu thực vật nguyên gốc), dầu diesel tổng hợp (FTD) và các loại nhiên liệu có khả năng tái chế khác Tuy nhiên, khi xét đến mức độ ảnh hưởng đến môi trường, bao gồm cả phần phát thải khi

sử dụng và phát thải khi sản xuất ra loại nhiên liệu, 2 loại nhiêu liệu được đánh giá cao hơn cả là LNG và diesel sinh học [42]

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Mỹ là quốc gia sử dụng diesel sinh học trong lĩnh vực tàu thủy phổ biến nhất và

đã thiết lập nhiều quy định về sử dụng diesel sinh học từ năm 1992 khi áp dụng trên tàu thủy Nhiều tổ chức của Mỹ đã triển khai thành công chương trình thử nghiệm áp dụng các hỗn hợp diesel sinh học với dầu diesel từ B1 đến B100, đặc biệt là về vấn đề giảm phát thải từ các tàu và bảo vệ môi trường biển như các cuộc thử nghiệm được thực hiện bởi Hiệp hội Phà biển bang Washington (WSF) và Tập đoàn tàu khách Caribe Hoàng gia (RCCL) trên cả hệ động lực diesel chính và tua bin khí Hiệp hội WSF là tổ chức hàng đầu nghiên cứu ứng dụng diesel sinh học trên hệ thống phà từ năm 2003 và hiện đang sử dụng chủ yếu B20 trên các phà thuộc Hiệp hội Bên cạnh

đó, diesel sinh học còn được ứng dụng rộng rãi trên các tàu hải quân của Mỹ cũng như các tàu bảo vệ bờ biển (USCG) như là một loại nhiên liệu thân thiện với môi trường, đáp ứng được các yêu cầu khắt khe của các tổ chức, hiệp hội về bảo vệ môi trường tại quốc gia này [47]

Một cuộc khảo sát về sử dụng diesel sinh học trên 100 thuyền du lịch hoạt động trong vịnh San Fransico từ năm 1994 – 1997 cho thấy phản ứng tích cực của các chủ thuyền đối với loại nhiên liệu này Phần lớn các tàu đều có tuổi thọ trên 20 tuổi và sử

dụng động cơ diesel của các hãng Mercedes, Yanma, Isuzu, Volvo, Khoảng 75% các tàu sử dụng hỗn hợp diesel sinh học với tỷ lệ trên 25% và gần 1/4 số thuyền sử dụng B100 Kết quả như được nêu tại bảng 1.12

Bảng 1.12 Đánh giá sử dụng diesel sinh học [27]

Đánh giá về hiệu quả sử dụng Sự cố phát sinh

Khả năng vận hành tin cậy 43% Đường ống dầu và ống cấp 6%

Tại Đan Mạch, năm 2007 phà biển mang tên “Fanffergen” thuộc công ty

Scandlines đã tiến hành thử nghiệm sử dụng diesel sinh học B100 trên động cơ Caterpilar 3412, công suất 600W Kết quả đạt được rất khả quan và không cần phải điều chỉnh hệ thống trước khi sử dụng Kết quả này có tác động mạnh mẽ tới các nhà sản xuất động cơ cũng như chủ tàu nhằm hướng tới sử dụng ngày càng nhiều diesel sinh học trên tàu thủy [51]

Hãng động cơ Wartsila (Phần Lan) là một trong những hãng sản xuất động

cơ tàu thủy hàng đầu trên thế giới và đã bắt đầu tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế

từ những năm 1980, đặc biệt là những nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học trên các động cơ do hãng sản xuất Năm 1995, hãng đã thành công trong thử nghiệm dùng dầu cải làm nhiên liệu cho các động cơ diesel và đến năm 2003 đã lắp đặt ở Cộng hòa liên bang Đức hệ thống năng lượng đầu tiên chạy bằng dầu thực vật sử dụng vào mục đích thương mại [56] Gần đây nhất, hãng STX Phần Lan đã ký hợp đồng thương mại với Wartsila trang bị 3 động cơ diesel 4 kỳ 6L20 sử dụng nhiên liệu sinh học (Liquid Bio Fuel) có công suất 1.026 kW, vòng quay 750 v/p làm động cơ chính truyền động điện cho 2 chân vịt tàu đa năng Aura II trọng tải 4.700 DWT hạ thủy năm 2012 [56]

Công nghệ chủ yếu của hãng Wartsila là thiết kế cải tiến và chế tạo mới hệ thống cấp nhiên liệu, đặc biệt là bơm cao áp Theo các thử nghiệm của hãng, hiện tượng tạo bọt khí trong hệ thống cấp nhiên liệu cao áp dẫn đến sự ăn mòn và phá hủy

bề mặt các chi tiết là vấn đề đặc biệt cần lưu ý khi sử dụng nhiên liệu sinh học Bọt khí

có thể xuất hiện tại khoang chứa dầu trước khi vào piston bơm cao áp hoặc trước kim phun, làm cho động cơ hoạt động không được ổn định tại cùng một chế độ tải Với những động cơ sử dụng nhiên liệu sinh học, hãng đã thiết kế tối ưu hóa các khoang nhiên liệu áp suất thấp trong bơm cao áp Hãng cũng đặc biệt quan tâm đến sự lưu động của nhiên liệu trên đường hồi bởi sự đông đặc của nhiên liệu sinh học ở nhiệt độ thấp Do đó công nghệ duy trì nhiệt độ nhiên liệu trong phạm vi 10-150C cao hơn nhiệt

độ đông đặc là cực kỳ cần thiết, đặc biệt trên các đường ống dầu rò rỉ, dầu hồi Bên cạnh đó, bố trí các đường ống này phải lưu ý đến độ dốc cho phép dầu lưu động dễ dàng [56]

Nhà sản xuất động cơ MAN B&W (Đức) bắt đầu nghiên cứu sử dụng diesel

sinh học từ sau năm 1994 Dù không tập trung vào các nghiên cứu áp dụng cho tàu thủy, hãng cũng đã đạt được nhiều kết quả khi thử nghiệm độ tương thích của nhiều loại nhiên liệu sinh học với động cơ của mình nhằm tìm ra những loại nhiên liệu phù hợp nhất Năm 2001, hãng đã thử nghiệm triển khai một hệ thống năng lượng sử dụng diesel sinh học được trang bị động cơ 750 kW, sau đó tiến hành thử nghiệm với các động cơ thấp và trung tốc Năm 2007 đánh dấu mốc phát triển mới trong nỗ lực nghiên cứu về ứng dụng nhiên liệu sinh học của MAN B&W, khi hãng đưa vào hoạt động ở Mouscron, Bỉ, một hệ thống phát điện liên hợp trang bị động cơ 4 kì trung tốc, 18 xi lanh 18V48/60 có công suất lớn nhất của hãng (17,7MW) sử dụng nhiên liệu sinh học [53] Sau đó, hãng cũng đã tiến hành cung cấp một số lượng lớn động cơ diesel sử dụng nhiên liệu sinh học cho các nhà máy điện khác Hãng cũng khẳng định khả năng

áp dụng nhiên liệu sinh học trên các phà biển, tuy nhiên trở ngại lớn nhất đó là giá thành nhiên liệu còn khá cao so với nhiên liệu diesel truyền thống Với những nghiên cứu và ứng dụng ở trên, kết hợp với những nghiên cứu và đánh giá của các hãng sản xuất động cơ diesel khác như Caterpillar hay Rolls Royce/Bergen Diesel, có thể kết luận rằng nhiên liệu sinh học hoàn toàn có thể đáp ứng tốt yêu cầu sử dụng trên tàu

Hướng nghiên cứu hoán cải hệ thống cấp nhiên liệu để sử dụng diesel sinh học: Đây là hướng ứng dụng nhiên liệu sinh học được phần lớn các nhà nghiên cứu

trên thế giới quan tâm Hãng Wartsila đã chỉ ra rằng, việc sử dụng diesel sinh học không chịu ảnh hưởng của buồng đốt, cơ cấu sinh công, hệ thống khí thải, Do đó, cần phải điều chỉnh hoặc thay đổi một số bộ phận trong hệ thống cấp nhiên liệu như vòi phun, bơm cao áp, thì động cơ có thể làm việc được trực tiếp với diesel sinh học Hãng Elsbett (Đức) là hãng có kinh nghiệm nhất về áp dụng hệ thống chuyển đổi để các động cơ đang được khai thác sử dụng đồng thời với nhiên liệu sinh học Giải pháp công nghệ của Elsbett đưa ra khá phức tạp, đó là gia nhiệt nhiên liệu sinh học trong nắp xi lanh, đồng thời thay thế vòi phun bằng loại vòi phun đặc biệt dành riêng cho nhiên liệu sinh học [14] Điều này dẫn đến giá thành để hoán cải các hệ thống và động

cơ rất lớn khi muốn chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu sinh học

Thực tế, tuy diesel sinh học có nhiều đặc điểm vật lý, hóa học khá tương đồng với diesel truyền thống, nhưng giữa chúng vẫn còn những khác biệt, nên ngoài việc phải cải tiến các chi tiết chính như đã đề cập, còn phải xét đến các thành phần khác của

hệ thống nhiên liệu như: két dự trữ, két phân li, két trực nhật, két hòa trộn Các nghiên cứu chỉ ra rằng, sử dụng diesel sinh học B100 hoàn toàn có thể, tuy nhiên, có nhiều ảnh hưởng xấu đến các thông số kỹ thuật, kinh tế của động cơ, sự hao mòn các chi tiết chuyển động, phá hủy các chi tiết làm kín, và cần phải nghiên cứu tiếp Đối với cách

thức hòa trộn diesel sinh học và dầu diesel cho ra các tỷ lệ khác nhau trong phạm vi từ 5% - 20% diesel sinh học trong hỗn hợp, các yếu tố ảnh hưởng nêu trên gần như không nhiều Tuy vậy, hỗn hợp giữa diesel sinh học và dầu diesel thường không có tính ổn định cao nên hay bị phân lớp và chia tách rất nhanh, dẫn đến chất lượng nhiên liệu hòa trộn không tốt, ảnh hưởng đến quá trình khai thác của động cơ Một yếu tố hạn chế quan trọng khác của hướng nghiên cứu này là giá thành diesel sinh học còn rất cao do các chi phí chiết xuất diesel sinh học từ dầu thực vật nguyên gốc hoặc mỡ động vật thông qua quá trình este hóa nhằm giảm chất béo có trong thành phần

Hướng nghiên cứu áp dụng bộ thiết bị chuyển đổi để sử dụng dầu thực vật nguyên gốc: Một hướng nghiên cứu khác được đề xuất là lắp đặt thêm các thiết bị

chuyển đổi để động cơ diesel có thể làm việc trực tiếp với dầu thực vật nguyên gốc (SVO) hoặc hỗn hợp giữa chúng với một loại nhiên liệu truyền thống mà không cần chế biến thành diesel sinh học Công nghệ này được gọi là SVO (Straight Vegetable Oil) [28] Sử dụng SVO chủ yếu dựa trên nguyên tắc hâm nóng kết hợp pha loãng để dầu thực vật đạt được độ nhớt tương đương dầu diesel, bởi vì dầu SVO ở nhiệt độ bình thường có độ nhớt rất cao Việc hâm và làm loãng SVO sẽ giúp cải thiện chất lượng phun sương và nâng cao hiệu quả quá trình cháy So với sử dụng diesel sinh học, giải pháp SVO có những thuận lợi là không cần có nhà máy xử lý với quy mô công nghiệp như diesel sinh học, không làm tăng giá nhiên liệu Hơn nữa, do diesel sinh học dễ bị giảm sút chất lượng khi thời gian bảo quản kéo dài (theo khuyến cáo là dưới một năm với chế độ bảo quản nghiêm ngặt), nên không phù hợp với điều kiện sử dụng ở trên tàu; trong khi dầu thực vật dùng cho SVO chỉ cần bảo quản trong điều kiện bình thường Có 2 phương án được các nhà khoa học đưa ra khi sử dụng SVO cho động cơ diesel:

- Sử dụng trực tiếp SVO: hệ thống nhiên liệu của động cơ cần phải được hoán cải

và lắp đặt thêm các thiết bị cấp dầu SVO riêng biệt cũng như bổ sung thêm các bầu lọc dầu Ngoài ra, vòi phun nhiên liệu cũng phải được hoán cải để đảm bảo chất lượng phun sương như khi động cơ làm việc với dầu diesel;

- Hòa trộn dầu thực vật và dầu diesel theo tỷ lệ hòa trộn hợp lý và cấp cho động

cơ Hệ thống cần bố trí thêm thiết bị hòa trộn, kiểm soát chất lượng hòa trộn và kiểm soát các thông số nhiên liệu trước khi cấp cho động cơ

Hiện nay, trên thế giới đã và đang áp dụng cả 2 hướng trên đối với động cơ diesel lắp trên bờ, cả các động cơ mới sản xuất và động cơ đang khai thác Đối với công nghệ hòa trộn, chủ yếu dùng phương thức hòa trộn theo mẻ, theo đợt với các trạm thiết bị hòa trộn trên bờ ở quy mô công nghiệp Trong lĩnh vực hàng hải, công nghệ SVO đã được đưa xuống tàu triển khai cho các máy phát điện, tuy nhiên đối với các động cơ diesel làm máy chính, lai chân vịt, gần như có rất ít nghiên cứu và thử nghiệm đã được công bố

1.3.2 Các nghiên cứu tại Việt Nam

Từ hơn 10 năm qua, Nhà nước đã có những chính sách phát triển nhiên liệu sinh học trong nước và định hướng các nhiệm vụ nghiên cứu - đầu tư cả về diesel sinh học (nguồn mỡ cá, dầu ăn phế thải, trồng và chế biến cây Jatropha…), biofuel (nguyên liệu sắn, mía đường, rơm, trấu…), và bioethanol (các loại tảo) Tháng 11/2007, Chính phủ đã phê duyệt đề án “Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” [9] Trên cơ sở đó, một số công ty, viện và trường đại học đã tiến hành các công trình nghiên cứu thử nghiệm đưa nhiên liệu mới vào sử dụng cho động cơ đốt trong, như nhiên liệu sinh học, nhiên liệu khí hỏa lỏng, khí đốt tự nhiên v.v Tuy nhiên các nghiên cứu bước đầu chủ yếu là thử nghiệm cho các động cơ xăng và lượng nhiên liệu mới cũng chỉ chiếm một lượng nhỏ so với nhiên liệu truyền thống Việc sản xuất nhiên liệu sinh học tại Việt Nam cũng chưa nhiều, chủ yếu hướng tới tạo ra loại xăng sinh học, còn nhiên liệu diesel sinh học vẫn rất hạn chế

Đối với diesel sinh học, các thử nghiệm chiết xuất nhiên liệu loại này từ cây dầu mè (Jatropha curcas L.) của TS Thái Xuân Du - Viện Sinh học nhiệt đới, và TS

Lê Võ Định Tường - Phân viện Hóa học các Hợp chất thiên nhiên Tp Hồ Chí Minh (bỏ ) gần đây đều cho kết quả khả quan với tỷ lệ dầu chiết xuất lên đến 32 - 37% Vào năm 2007, Công ty Nhiên liệu sinh học Quốc gia đã nghiên cứu chế tạo diesel sinh học từ các nguyên liệu như hạt bông, mỡ cá, dầu cọ khô,… và chạy thử nghiệm thành công trên các động cơ diesel của một số phương tiện vận tải đường bộ với việc

sử dụng nhiên liệu hỗn hợp B5 (5% diesel sinh học và 95% dầu diesel truyền thống) Bên cạnh đó, tại phía Nam cũng đã xây dựng một vài cơ sở sản xuất với qui mô nhỏ tận dụng mỡ cá (đặc biệt là cá ba sa) để sản xuất nhiên liệu diesel sinh học Việc sử dụng diesel sinh học cũng chỉ có rất ít nghiên cứu áp dụng cho các động cơ trên bộ như đề tài của PGS TS Nguyễn Thạch về sử dụng giải pháp đồng thể hóa tạo nhũ tương “nước - nhiên liệu” đối với dầu dừa để áp dụng trực tiếp cho các động cơ diesel tĩnh tại; Đề tài thử nghiệm nhiên liệu hỗn hợp B5 từ mỡ cá cho động cơ D243 tại phòng thí nghiệm Đại học Bách Khoa của PGS TS Lê Anh Tuấn; Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu hỗn hợp (B10 và B20) cho phương tiện cơ giới quân sự của PGS TS Nguyễn Hoàng Vũ; Trong lĩnh vực hàng hải, năm 2006, TS Phùng Minh Lộc đã bắt đầu đề cập ứng dụng cho các động cơ diesel lắp đặt trên tàu cá thông qua đề tài nghiên cứu thử nghiệm dầu thực vật làm nhiên liệu cho động cơ diesel tàu cá cỡ nhỏ Hướng nghiên cứu của đề tài này là gia nhiệt giảm độ nhớt của dầu thực vật xuống tương đương dầu diesel và dùng trực tiếp cho động cơ Tuy nhiên, đề tài chưa xét đến các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình lưu trữ dài ngày trên tàu, đến tuổi thọ, ăn mòn các chi tiết của động cơ, ảnh hưởng do việc đóng muội tại vòi phun và trên thành vách xi lanh Năm 2012, PGS TSKH Đặng Văn Uy và các cộng sự đã tiến hành các nghiên cứu thử nghiệm trên động cơ diesel tàu thủy thông qua thực hiện đề tài Khoa học cấp Bộ

“Nghiên cứu giải pháp công nghệ và chế tạo thử nghiệm hệ thống thiết bị chuyển đổi

động cơ diesel tàu thủy cỡ vừa và nhỏ sang sử dụng hỗn hợp dầu thực vật – dầu diesel” Trong đề tài đã khẳng định tính khả thi của việc sử dụng hỗn hợp dầu thực vật – dầu diesel trên tàu và đề xuất hệ thống thiết bị chuyển đổi cùng các giải pháp công nghệ đưa loại nhiên liệu này xuống sử dụng trên tàu Tuy nhiên, đề tài chưa đưa ra được cơ sở lý thuyết tính toán thiết bị chuyển đổi dùng cho các động cơ diesel thủy khác nhau Sự khác biệt chủ yếu giữa phạm vi ứng dụng nhiên liệu sinh học, bao gồm

cả diesel sinh học và dầu thực vật nguyên gốc vào lĩnh vực tàu thủy đó là tính an toàn của tàu trong quá trình vận hành, sinh mạng của con người trên biển Việc sử dụng nhiên liệu khác nhau dẫn đến tính năng khai thác sẽ khác nhau và những sự cố phát sinh nếu không được nghiên cứu trước Chế độ làm việc của các động cơ thủy thay đổi liên tục theo điều kiện môi trường bên ngoài (sóng, gió, nhiệt độ, độ ẩm, ) và yêu cầu vận hành, nên đòi hỏi chất lượng nhiên liệu ổn định, hạn chế tối đa những ảnh hưởng đến đặc tính khai thác Bên cạnh đó, các yêu cầu về điều kiện lưu giữ, bảo quản nhiên liệu sinh học trên tàu cũng đóng một vai trò rất quan trọng trong các điều kiện môi trường khác nhau Chính vì vậy, các nghiên cứu trong nước về ứng dụng nhiên liệu sinh học trên tàu chưa được tập trung phát triển

1.3.3 Nhận xét, đánh giá

Trong những năm gần đây, với yêu cầu bức thiết về nhiệm vụ chiến lược “ Sử dụng hiệu quả năng lượng đi cùng với bảo vệ môi trường”, hầu hết các nước trên thế giới, đặc biệt là các nước phát triển đã có những tiến bộ đáng kể trong nghiên cứu để

sử dụng nhiên liệu sinh học trong lĩnh vực giao thông vận tải Nhiều giải pháp công nghệ để đưa nhiên liệu sinh học vào sử dụng cho các động cơ diesel tàu thủy đã được thử nghiệm và ứng dụng được tổng hợp lại như sau:

- Các hãng sản xuất động cơ đã thiết kế và chế tạo các thế hệ động cơ mới để sử dụng trực tiếp diesel sinh học hoặc dầu thực vật nguyên gốc Giải pháp này chủ yếu để phục vụ mục đích lâu dài trong tương lai, hiện tại giá thành động cơ và giá thành nhiên liệu còn cao, nên chưa đáp ứng nhu cầu hiện tại;

- Không thay đổi kết cấu của động cơ, chỉ thực hiện gia nhiệt cho diesel sinh học hoặc SVO đến nhiệt độ, mà tại đó độ nhớt tương đồng với dầu diesel và cấp trực tiếp cho các động cơ diesel Phương pháp này đơn giản, dễ áp dụng cho các động cơ lắp đặt trên bờ, tuy nhiên các chỉ tiêu kỹ thuật, kinh tế của động cơ không đảm bảo, kèm theo những ảnh hưởng rất lớn tới quá trình ăn mòn, đóng cặn tại các chi tiết, phá hủy gioăng làm kín, giảm tuổi thọ của động cơ,

- Hòa trộn diesel sinh học với dầu diesel với tỷ lệ lên tới 50% sử dụng cho các động cơ lắp trên các tàu du lịch, thời gian hành trình ngắn Nhiên liệu hỗn hợp được hòa trộn ở trên bờ và cung cấp đến nơi tiêu thụ như một dạng nhiên liệu

có sẵn, tuy nhiên nhiên liệu hỗn hợp này không có tính bền vững cao, hay bị phân lớp, đặc biệt trong điều kiện nhiệt độ môi trường thấp Điều này là một

trong những trở ngại rất lớn khi muốn sử dụng nhiên liệu sinh học làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel lắp đặt trên tàu thủy;

- Sử dụng công nghệ gia nhiệt (sấy và kiểm soát nhiệt độ) cho dầu SVO kết hợp thiết bị đồng thể hóa thành phần nước trong dầu thực vật chuyền thành dạng nhũ tương “nước - nhiên liệu” cho động cơ diesel cao tốc và có chế độ tải ổn định Hệ thống có thể chuyển đổi qua lại giữa nhiên liệu diesel truyền thống và dầu thực vật Hiện nay, công nghệ này vẫn đang trong quá trình thử nghiệm với các động cơ lắp đặt trong phòng thí nghiệm

Trong khi đó, ở Việt Nam, những công trình nghiên cứu để sử dụng nhiên liệu sinh học chưa nhiều và chủ yếu vẫn tập trung ở một số lĩnh vực: sản xuất thử diesel sinh học từ một số nguồn nhiên liệu sẵn có trong nước; sử dụng diesel sinh học trong một

số phương tiện vận tải đường bộ, còn việc sử dụng nhiên liệu sinh học trên tàu thủy (một trong những hộ tiêu thụ nhiên liệu rất lớn, xả ra môi trường lượng khí thải với nồng độ các chất độc hại cao) vẫn còn bỏ ngỏ

1.4 Cơ sở nghiên cứu của luận án

Nhằm hướng đến một loại nhiên liệu thay thế cho diesel dầu mỏ với chi phí hợp

lý trong điều kiện cơ sở hạ tầng sản xuất diesel sinh học ở Việt Nam còn nhiều hạn chế, luận án tập trung vào nghiên cứu đối tượng dầu thực vật nguyên gốc, mà ở đây là dầu cọ Dầu cọ được chọn để làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel thủy sẽ tạo được những lợi thế sau đây:

- Giá thành dầu cọ rẻ hơn so với giá thành diesel sinh học khoảng từ 10 đến 15%

và tương đương với giá dầu diesel trong vòng 5 năm trở lại đây do sản xuất dầu

cọ không đòi hỏi công nghệ sản xuất phức tạp (hình 1.2);

- Tính chất lý hóa của dầu cọ hoàn toàn đáp ứng được tính chất của nhiên liệu dành cho động cơ diesel thủy;

- Dầu cọ tương đối phổ biến trên thế giới, đặc biệt ở khu vực Châu Á, Đông Nam

Á như: Malaysia, Indonesia, hơn nữa việc lấy cây cọ làm nguồn nguyên liệu sản

Hình 1.2 So sánh giá dầu cọ và dầu DO trong thời gian từ 2010 - 2015 [38]

xuất nhiên liệu sẽ không ảnh hưởng đến an ninh lương thực quốc gia và thế giới

Về cấu trúc, dầu cọ có cấu tạo gồm các phân tử triglyceride với bộ ba các nguyên tố: các bon, hydro và ô xy Trong thành phần của dầu cọ có tới 9 loại a-xít béo, phân thành 2 nhóm: bão hòa (saturated) và chưa bão hòa (unsaturated) Các a-xít béo bão hòa thường tồn tại bền vững hơn các a-xít béo chưa bão hòa Tính chất bão hòa và chưa bão hòa của các a-xít béo có ảnh hưởng đến các tính chất vật lý của dầu cọ khi sử dụng nó như nhiên liệu cho động cơ diesel Trên bảng 1.13 cho thấy các loại a-xít béo

và tỷ lệ trung bình của chúng có trong dầu cọ

Bảng 1.13 Thành phần a - xít béo trong dầu cọ [12]

1 Khối lượng

riêng ở 150C,

[kg/m3]

922,5 848,9 853,8 856,8 859,9 863,2 866,8 850

- Trị số Xê tan của dầu cọ nguyên chất cao hơn 23,4% so với DO;

- Khối lượng riêng ở 150C của dầu cọ nguyên chất cao hơn 8,5% so với DO;

- Độ nhớt động học ở 400C của dầu cọ nguyên chất lớn hơn DO là 15,48 lần;

- Điểm chớp cháy của dầu cọ nguyên chất cao hơn DO là 1,87 lần;

- Điểm đông đặc của dầu cọ nguyên chất là 160C còn của DO là -60C;

- Nhiệt trị của dầu cọ nguyên chất thấp hơn nhiên liệu DO là 14,5%;

Tuy dầu cọ nguyên chất có nhiều điểm khác biệt so với dầu diesel, nhưng hỗn hợp của nó với dầu diesel lại có những tính chất lý hóa khá giống so với dầu diesel Chính

vì vậy, để thực sự sử dụng được dầu cọ làm nhiên liệu thay thế cho các loại động cơ diesel (lai chân vịt, lai máy phát điện) lắp đặt trên tàu thủy đáp ứng được yêu cầu mang tính thương mại, hướng nghiên cứu và kết quả nghiên cứu trong luận án này phải đáp ứng được các tiêu chí cơ bản sau đây: