Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng tỷ lệ phối trộn butanol diesel đến tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ diesel

Các ký hiệu mẫu tự La tinh : A0, A1, A2 [-] Các hệ số của các đường cong tìm gemin Gnl [kg/h] Lượng tiêu hao nhiên liệu trong 1 giờ ge [kg/kW.h] Suất tiêu hao nhiên liệu trong 1 giờ gi

NGUYỄN THÀNH

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG

TỈ LỆ PHỐI TRỘN BUTANOL-DIESEL ĐẾN TÍNH NĂNG

KINH TẾ KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL

GIẢI PHÁP LIÊN TỤC HÓA DẦM 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGUYỄN THÀNH

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG

TỈ LỆ PHỐI TRỘN BUTANOL-DIESEL ĐẾN TÍNH NĂNG

KINH TẾ KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL

GIẢI PHÁP LIÊN TỤC HÓA DẦM 1

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong phần thực nghiệm của luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

ĐỘNG CƠ DIESEL

Học viên: Nguyễn Thành Chuyên ngành: Cơ khí động lực

Mã số: 60.52.0116 Khóa: 30 Trường Đại học Bách khoa-ĐHĐN

Tóm tắt - Tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường để bảo vệ bầu

khí quyển trên trái đất, cũng như đảm bảo an ninh năng lượng toàn cầu đang là mục tiêu nghiên cứu của các nhà khoa học Vì lý do nêu trên, tác giả chọn đề tài

“Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng tỷ lệ phối trộn Butanol-Diesel đến tính năng

kinh tế kỹ thuật của động cơ Diesel ”có ý nghĩa quan trọng và cấp thiết Luận văn

sử dụng chủ yếu phương pháp nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của

tỷ lệ phối trộn butanol đến tính năng kinh tế kỹ thuật cũng như vấn đề ô nhiễm môi trường đối với động cơ nhiệt sử dụng nhiên liệu diesel pha butanol Kết quả của luận văn là tìm ra được tỷ lệ pha trộn tối ưu của Butanol với Diesel theo tiêu chí giảm tiêu hao nhiên liệu khi nghiên cứu thực nghiệm hỗn hợp butanol-diesel trên động cơ diesel EV2600.Theo đó tỷ lệ pha trộn X% thể tích butanol vào (100-x)% thể tích dầu diesel khoáng DO 0,05S (có ký hiệu DOBX) cho phép giảm tiêu hao nhiên liệu khoảng xx% đến yy%

Từ khóa – Nhiên liệu butanol; Nghiên cứu thực nghiệm; Hỗn hợp butanol-diesel;

Tiêu hao nhiên liệu; Động cơ diesel EV2600

EXPERIMENTAL RESULTS AFFECTING BUTANOL-DIESEL MIXING TO THE TECHNICAL CHARACTERISTICS OF

DIESEL ENGINE

Abstract - Saving energy and minimizing environmental pollution to protect the

atmosphere on Earth, as well as ensuring global energy security, is the research goal of the scientists For the reasons mentioned above, the author chose the topic

"Experimental Research Affecting the Mixing Ratio of Butanol-Diesel to the Technical and Economic Properties of Diesel Engines" The thesis utilizes mainly empirical methods to assess the effect of blending ratio of butanol on technical and economic feasibility as well as on environmental pollution of diesel engine with butanol The result of the thesis is to find the optimal mixing ratio of Butanol with Diesel according

to the criterion of reduction of fuel consumption when experimental study of diesel mixture on EV2600 diesel engine Accordingly, the mixing ratio of X % volume

butanol-of butanol in (100-x)% butanol-of mineral oil DO 0.05S (with the symbol DOBX) allows reduction of fuel consumption about xx% to yy%

Key words - Butanol fuel; Experimental study; Butanol-diesel mixture; Fuel

consumption; EV2600 diesel engine

MỞ ĐẦU 1

TÍNHCẤPTHIẾTCỦAĐỀTÀI 1

MỤCĐÍCHVÀÝNGHĨACỦAĐỀTÀI 1

1 Mục đích của đề tài 1

2 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài 2

ĐỐITƯỢNGVÀPHẠMVINGHIÊNCỨU 2

1.Đối tượng nghiên cứu 2

2.Phạm vi nghiên cứu 2

PHƯƠNGPHÁPNGHIÊNCỨU 2

NỘIDUNGNGHIÊNCỨUVÀCẤUTRÚCLUẬNVĂN 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1.TỔNGQUANVỀNGUỒNNĂNGLƯỢNGHÓATHẠCH 3

1.1.1 Trữ lượng và nhu cầu sử dụng nhiên liệu hóa thạch trên thế giới 3

1.1.2 Tình hình khủng hoảng năng lượng hiện nay trên thế giới 4

1.2.VẤNĐỀÔNHIỄMMÔITRƯỜNGVÀBIẾNĐỔIKHÍHẬU 5

1.2.1 Vấn đề ô nhiễm môi trường 5

1.2.2 Tình hình biến đổi khí hậu 7

1.3.TÌNHHÌNHNGHIÊNCỨUNHIÊNLIỆUSINHHỌC 8

1.3.1 Tình hình sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học trên thế giới 8

1.3.2 Khả năng sản xuất Butanol 9

1.3.3 Tình hình nghiên cứu và sử dụng Butanol 11

1.4.KẾTLUẬN 12

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13

2.1.QUÁTRÌNHCHÁYĐỘNGCƠĐỐTTRONG 13

2.1.1 Diễn biến quá trình cháy của động cơ Diesel 13

2.1.1.1 Giai đoạn chuẩn bị cháy: 14

2.1.1.2.Giai đoạn tăng áp suất: 14

2.1.1.3.Giai đoạn tăng nhiệt độ: 15

2.1.1.4.Giai đoạn cháy rớt: 15

2.1.2.1.Các yếu tố ảnh hưởng đến giai đoạn chuẩn bị cháy: 15

2.1.2.2.Các yếu tố ảnh hưởng đến các giai đoạn còn lại của quá trình cháy 17

2.1.3 Điều chỉnh tỷ lệ phối trộn butanol cho động cơ Diesel 18

2.1.3.1 Các phương pháp điều chỉnh tỷ lệ phối trộn trong động cơ Diesel 18

2.1.3.2 Cách điều chỉnh tỷ lệ phối trộn động cơ thí nghiệm 19

2.2.NHIÊNLIỆUSỬDỤNGCHOĐỘNGCƠĐỐTTRONG 19

2.2.1 Nhiên liệu sử dụng cho động cơ Diesel 19

2.2.1.1.Nhiên liệu Diesel: 19

2.2.1.2.Nhiên liệu sinh học: 19

2.2.2 Nhiên liệu sinh học dùng cho động cơ Diesel 20

2.2.2.1.Giới thiệu chung về nhiên liệu sinh học dùng cho động cơ Diesel (Biodiesel): 20

2.2.3 Nhiên liệu Butanol và nhiên liệu phối trộn Diesel-Butanol 22

2.2.3.1.Nhiên liệu Butanol: 22

2.2.3.2.Nhiên liệu phối trộn Diesel-Butanol: 26

2.3.ĐÁNHGIÁHIỆUQUẢSỬDỤNGNHIÊNLIỆUTRONGĐỘNGCƠĐỐT TRONG 26

2.3.1 Các thông số chỉ thị 26

2.3.1.1 Công suất chỉ thị: 26

2.3.1.2 Hiệu suất chỉ thị: 28

2.3.1.3 Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị: 28

2.3.2.Các thông số có ích 28

2.3.2.1.Công suất có ích: 28

2.3.2.2.Hiệu suất có ích: 29

2.3.2.3.Suất tiêu hao nhiên liệu có ích: 30

2.4.KẾTLUẬNCHƯƠNG 30

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 32

3.1.GIỚITHIỆUCÁCTRANGTHIẾTBỊTHÍNGHIỆM 32

3.1.1.Băng thử công suất Froude DFX3 32

3.1.1.1.Thiết bị đo mô-men xoắn băng thử công suất Froude: 33

3.1.1.2.Thiết bị đo tốc độ Encoder 634C/X: 34

3.1.2.Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu AVL FUEL BALANCE 733S 36

3.1.4.Động cơ thí nghiệm: 01 xy lanh, Vikyno EV2600-NB 38

3.2.TỔCHỨCTHÍNGHIỆMCHẠYNHIÊNLIỆUDIESEL-BUTANOL 39

3.2.1.Nội dung thử nghiệm nhiên liệu Diesel-Butanol 39

3.2.2.Chế độ vận hành động cơ Vikyno EV2600 40

3.3.THUNHẬNDỮLIỆUTHÍNGHIỆMNHIÊNLIỆUDIESEL-BUTANOL 40

3.3.1.Cách ghi nhận dữ liệu từ kết quả đo 40

3.3.1.1.Ghi nhận dữ liệu mô-men và tốc độ động cơ: 40

3.3.1.2 Ghi nhận dữ liệu tiêu hao nhiên liệu động cơ: 41

3.3.2.Dữ liệu thu được từ kết quả đo: (6x6 mẫu với 6 tỷ lệ phối trộn) 41

3.3.2.1.Động cơ khi chạy ở vị trí 10% thanh răng: 41

3.3.2.2.Động cơ khi chạy ở vị trí 30% thanh răng: 43

3.3.2.3.Động cơ khi chạy ở vị trí 50% thanh răng: 44

3.3.2.4.Động cơ khi chạy ở vị trí 70% thanh răng: 45

3.4.KẾTLUẬNCHƯƠNG 45

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 47

4.1.ĐÁNHGIÁTÍNHCHẤTNHIÊNLIỆUCỦAHỖNHỢPBUTANOLPHA TRỘNVỚIDẦUDIESEL 47

4.2.ĐÁNHGIÁTÍNHKINHTẾKỸTHUẬTVÀCÔNGSUẤTCỦAĐỘNGCƠ 48

4.2.1.Phân tích kết quả theo tỷ lệ hỗn hợp phối trộn % thể tích Butanol 48

4.2.1.1.Phân tích kết quả ở vị trí 10% thanh răng 48

4.2.1.2.Phân tích kết quả ở vị trí 30% thanh răng 51

4.2.1.3.Phân tích kết quả ở vị trí 50% thanh răng 54

4.2.2.1.Đặc tính công suất theo vị trí thanh răng: 59

4.2.2.2.Đặc tính suất tiêu hao nhiên liệu theo vị trí thanh răng: 60

4.3.KẾTLUẬNCHƯƠNG 61

5 KẾT LUẬN & HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 63

5.1.KẾTLUẬN 63

5.2.HƯỚNGPHÁTTRIỂNĐỀTÀI 63

5.3.KIẾNNGHỊ 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

1 Các ký hiệu mẫu tự La tinh :

A0, A1, A2 [-] Các hệ số của các đường cong tìm gemin

Gnl [kg/h] Lượng tiêu hao nhiên liệu trong 1 giờ

ge [kg/kW.h] Suất tiêu hao nhiên liệu trong 1 giờ

gi [kg/kW.h] Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị

gemin [kg/kW.h] Suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất trong 1 giờ

n [ rpm ] Số vòng quay động cơ

ngemin [ rpm ] Số vòng quay ứng với ge nhỏ nhất

O [ %kg ] % khối lượng ô xy có trong nhiên liệu

p [ kG/cm2 ] Áp suất của hổn hợp trong xi lanh

pi [ kG/cm2 ] Áp suất chỉ thị trung bình

Me [N.m] Moment ở đầu ra trục khuỷu

Ne ,Pe [kW] Công suất có ích động cơ

T [ 0K ] Nhiệt độ hổn hợp cháy

Tc [ 0K ] Nhiệt độ cuối quá trình nén

Tmax [ 0K ] Nhiệt độ lớn nhất của hổn hợp cháy

ρk [kg/lit] Tỷ trọng của không khí

ρBu [kg/lit] Tỷ trọng của nhiên liệu Butanol

ρH [kg/lit] Tỷ trọng của hỗn hợp nhiên liệu Butanol pha dầu Diesel

ΡDo [kg/lit] Tỷ trọng của nhiên liệu dầu Diesel

 [rad/s] Tốc độ góc của động cơ

European Union (Liên minh Châu Âu)

Cơ quan năng lượng quốc tế Văn phòng tổ chức kiểm soát năng lượng Anh

Tổ chức các nước xuất khẩu dầu mỏ

GM

IPCC

General Motors (Tập đoàn xe hơi Hoa Kỳ) Intergovernmental Panel on Climate Change (Tổ chức liên chính phủ về biến đổi khí hậu)

Revoletion per minute (Tốc độ vòng quay trên phút) Tiêu chuẩn Việt Nam

United States Dollar (Đồng tiền Đôla của Mỹ)

Số

2.1 So sánh nhiên liệu sinh học và nhiên liệu từ dầu mỏ 20 2.2 So sánh tính chất của nhiên liệu diesel khoáng với biodiesel 22 2.3 So sánh các đồng phân của butanol về tính chất hóa lý 24 3.1 Bảng thông số kỹ thuật cảm biến đo lực (LoadCell-PTS100) 34 3.2 Bảng thông số kỹ thuật dụng cụ đo tốc độ (Encoder) 36 3.3 Bảng thông số kỹ thuật thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu 37

3.5a Diễn biến công suất, suất tiêu hao nhiên liệu DO ở mức ga 10% 42

3.5b Diễn biến công suất, suất tiêu hao năng lượng DOB12, DOB10,

DOB8, DOB6, DOB4, DOB2 ở mức ga 10% 42 3.6a Diễn biến công suất, suất tiêu hao nhiên liệu DO ở mức ga 30% 43

3.6b Diễn biến công suất, suất tiêu hao năng lượng DOB12, DOB10,

DOB8, DOB6, DOB4, DOB2 ở mức ga 30% 43,44 3.7a Diễn biến công suất, suất tiêu hao nhiên liệu DO ở mức ga 50% 44

3.7b Diễn biến công suất, suất tiêu hao năng lượng DOB12, DOB10,

DOB8, DOB6, DOB4, DOB2 ở mức ga 50% 44 3.8a Diễn biến công suất, suất tiêu hao nhiên liệu DO ở mức ga 70% 45

3.8b Diễn biến công suất, suất tiêu hao năng lượng DOB12, DOB10,

DOB8, DOB6, DOB4, DOB2 ở mức ga 70% 45

4.1 So sánh tính chất của nhiên liệu Diesel khoáng với DOB10 47 4.2a Các hệ số của các đường cong tìm geminở chế độ 10% vị trí thanh răng 50 4.2b Tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất của các nhiên liệu ở chế độ ga 10% 50 4.3a Các hệ số của các đường cong tìm geminở chế độ 30% vị trí thanh răng 52,53 4.3b Tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất của các nhiên liệu ở chế độ ga 30% 53 4.4a Các hệ số của các đường cong tìm gemin chế độ 50% vị trí thanh răng 55 4.4b Tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất của các nhiên liệu ở chế độ ga 50% 55 4.5a Các hệ số của các đường cong tìm geminở chế độ 70% vị trí thanh răng 58 4.5b Tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất của các nhiên liệu ở chế độ ga 70% 58 4.6 Công suất bình quân của các loại nhiên liệu ở các vị trí thanh răng 60 4.7 Tiêu hao năng lượng bình quân của các loại nhiên liệu ở các vị trí

4.8 Hệ số của các đường cong ge_TB ở các vị trí thanh răng 61

Số

1.1 Sản lượng dầu còn lại tính theo năm khai thác 3 1.2 Ô nhiễm khí thải từ các loại phương tiện giao thông sử dụng

1.3 Tác động của sự gia tăng nhiệt độ của trái đất 7 1.4 Nhà máy sản xuất Ethanol của tập đoàn dầu khí quốc gia Việt Nam 9

1.5 Sơ đồ các công nghệ sản xuất Butanol sinh học 10 2.1 Diễn biến quá trình cháy trong động cơ Diesel 13

2.2 Ảnh hưởng của tỉ số nén  và tốc độ quay đến góc chuẩn bị cháy i

3.6 Cấu tạo và sơ đồ mạch điện của encoder tương đối 35 3.7 Thiết bị đo lượng tiêu thụ nhiên liệu AVL Fuel Balance 733S 36

3.8 Sơ đồ bố trí các bộ phận của thiết bị đo lượng

3.10c Các mẫu nhiên liệu thử nghiệm DOB10, DOB12 40

3.11 Màn hình hiển thị dữ liệu đo mô-men xoắn và tốc độ động cơ

3.12 Màn hình hiển thị dữ liệu đo tiêu hao nhiên liệu động cơ EV2600 41 4.1 Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu động cơ theo phụ tải (10% ga) 49 4.2 Diễn biến công suất động cơ theo tốc độ điều chỉnh (10% ga) 49 4.3 Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu động cơ theo tốc độ điều chỉnh ở

4.4 Diễn biến tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất của các nhiên liệu ở 10% 50 4.5 Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu động cơ theo phụ tải (30% ga) 51 4.6 Diễn biến công suất động cơ theo tốc độ điều chỉnh (30% ga) 52

4.8 Diễn biến tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất của các loại nhiên liệu ở 30% 53 4.9 Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu động cơ theo phụ tải (50% ga) 54 4.10 Diễn biến công suất động cơ theo tốc độ điều chỉnh (50% ga) 54

4.11 Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu động cơ theo tốc độ điều chỉnh ở

4.12 Diễn biến tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất của các loại nhiên liệu ở 50% 56 4.13 Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu động cơ theo phụ tải (70% ga) 57 4.14 Diễn biến công suất động cơ theo tốc độ điều chỉnh (70% ga) 57

4.15 Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu động cơ theo tốc độ điều chỉnh ở

MỞ ĐẦU

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Nguồn nhiên liệu chính hiện nay sử dụng cho động cơ đốt trong chủ yếu vẫn là các sản phẩm có nguồn gốc từ dầu mỏ, sự phát triển nhanh chống của các loại phương tiện, máy móc đã đẩy nhu cầu khai thác nguồn dầu mỏ ngày càng cao Đây chính là nguyên nhân làm giá dầu mỏ biến động liên tục và gây bất ổn về an ninh năng lượng của các quốc gia Dự báo đến 2050 nguồn dự trữ dầu mỏ trong lòng trái đất hầu như cạn kiệt

Bên cạnh đó, ô nhiễm môi trường và biến đổi khí hậu là vấn đề đang được cả thế giới quan tâm bởi vì chúng làm giảm tầm nhìn, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe và tính mạng của tất cả mọi người trên trái đất Sự ô nhiễm đó phải kể đến do tạp chất và các chất phụ gia trong nhiên liệu Diesel gây ra và đặc biệt là do hoạt động của các phương tiện giao thông gây nên

Đứng trước hai vấn nạn trên, các nước trên thế giới đã nghiên cứu tìm ra nguồn năng lượng thay thế cho dầu mỏ, một trong các nguồn năng lượng thay thế có nhiều ưu điểm đó là: Nhiên liệu sinh học mà các loại cồn là một trong những lựa chọn đầu tiên Nhiên liệu sinh học được sản xuất từ các sản phẩm của nông nghiệp nên chúng được tái sinh theo chu trình tuần hoàn kín, và khi tuân theo chu trình này thì lượng phát thải

CO2 đối với mỗi chu trình có thể xem như bằng không

Ngày nay, tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường để bảo vệ môi trường sống trên trái đất được trong sạch dài lâu, cũng như đảm bảo an ninh năng lượng toàn cầu đang là mục tiêu nghiên cứu của các nhà khoa học trên toàn thế giới

Vì lý do nêu trên, tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng tỷ

lệ phối trộn Butanol- Diesel đến tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ Diesel ”có ý

nghĩa rất quan trọng và hết sức cấp thiết Không những góp phần làm đa dạng hóa nguồn nhiên liệu sạch dùng cho động cơ đốt trong thay thế dần cho nhiên liệu dầu mỏ ngày càng cạn kiệt Đồng thời đánh giá được tỷ lệ pha trộn của nhiên liệu sinh học Butanol với Diesel để sử dụng hiệu quả trên động cơ ô tô nhằm tiết kiệm nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt

MỤC ĐÍCH VÀ Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI

1 Mục đích của đề tài

Mục đích chính là giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tiết kiệm tiêu hao nhiên liệu nhờ phối trộn thêm nhiên liệu sinh học Butanol, làm phong phú và đa dạng hóa nguồn nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong Mục tiêu cụ thể của đề tài là xác định được tỷ lệ phối trộn Butanol – Diesel tốt nhất ứng với các chế độ vận hành của động

cơ để đạt được tính năng kinh tế kỹ thuật tốt nhất

2 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài

Việc pha trộn thêm nhiên liệu sinh học Butanol vào nhiên liệu Diesel sẽ làm thay đối tính chất lý hóa đối với nhiên liệu dùng cho động cơ diesel, do đó sẽ làm cho quá trình gia nhiệt chuẩn bị cho quá trình tự cháy của nhiên liệu mới trong buồng cháy

bị thay đổi Vì vậy việc nghiên cứu thực nghiệm nhằm thay đổi tỷ lệ Butanol cho phù hợp với mỗi mẫu nhiên liệu pha trộn để động cơ đạt được tính năng kinh tế kỹ thuật tốt nhất có ý nghĩa khoa học rõ rệt và mang tính thực tiễn cao

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

1.Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận văn là động cơ EV2600 sử dụng nhiên liệu diesel pha butanol với các tỷ lệ khác nhau

2.Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu chỉ giới hạn đến vấn đề hiệu chỉnh tỷ lệ phối trộn butanol trong thực nghiệm đối với các mẫu nhiên liệu Butanol pha Diesel với các tỷ lệ 2%, 4%, 6%, 8%, 10% và 12%

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Luận văn sử dụng kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, trong

đó chú trọng nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn butanol đến tính năng kinh tế kỹ thuật cũng như vấn đề ô nhiễm môi trường đối với động cơ nhiệt sử dụng nhiên liệu diesel pha butanol

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ CẤU TRÚC LUẬN VĂN

Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của đề tài luận văn: “Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng tỷ lệ phối trộn Butanol- Diesel đến tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ Diesel ” được trình bày trong 04 chương, chứa các nội dung tóm tắt với

cấu trúc như sau:

Chương 1 – Tổng quan các vấn đề cạn kiệt nguồn năng lượng, tác hại của ô nhiễm

môi trường do nhiên liệu hóa thạch, tình hình nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học trong và ngoài nước Kết luận chương

Chương 2 – Cơ sở lý thuyết: phân tích tính chất nhiên liệu, diễn biến quá trình cháy

của động cơ diesel, các thông số ảnh hưởng đến tỷ lệ pha trộn, điều khiển pha trộn cho động cơ diesel Kết luận chương

Chương 3 – Nghiên cứu thực nghiệm: giới thiệu trang thiết bị thí nghiệm, nghiên cứu

thí nghiệm chạy nhiên liệu Diesel pha Butanol với các tỷ lệ khác nhau trên băng thử công suất Froude, kết quả dữ liệu nhận được từ thí nghiệm Kết luận chương

Chương 4 – Kết quả và bàn luận: phân tích đánh giá kết quả về tính năng kinh tế kỹ

thuật và ô nhiễm môi trường đối với động cơ thí nghiệm sử dụng nhiên liệu diesel pha Butanol với các tỷ lệ khác nhau Kết luận chương

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1 TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG HÓA THẠCH

1.1.1 Trữ lượng và nhu cầu sử dụng nhiên liệu hóa thạch trên thế giới

Nhu cầu sử dụng năng lượng nói chung và nhiên liệu nói riêng trên thế giới tăng theo sự phát triển của xã hội Với nhiều nước mới nổi và đang phát triển kéo theo nguồn nhiên liệu hóa thạch (than, xăng, dầu, khí đốt ) đã và đang được tiêu thụ khá mạnh Điều đó sẽ làm cạn kiệt nhanh chóng nguồn nhiên liệu hóa thạch và đây đang là vấn đề nóng bỏng của cả thế giới

Với mức tiêu thụ như hiện nay nếu không có giải pháp sử dụng năng lượng thay thế thì nguồn nhiên liệu hóa thạch sẽ hết trong vòng chưa đầy 50 năm nữa

Hình 1.1 Sản lượng dầu còn lại tính theo năm khai thác

Hiện nay, khoảng 82,2% trữ lượng dầu mỏ của thế giới tập trung ở khoảng mười nước: Arab Saudia, Iran, Iraq, Kuwait, Venezuela, Nga, Libi, Kazakstan, Nigieria… 55,8% nguồn cung khí đốt của thế giới tập trung chủ yếu ở 3 nước Nga, Iran, Qatar Nga chiếm hơn 10% trữ lượng dầu mỏ, 20% trữ lượng than của thế giới, 7% trữ lượng khí thiên nhiên Với trữ lượng như vậy, hiện Nga đứng đầu thế giới về khí đốt thiên nhiên, đứng thứ hai về dầu mỏ và là nguồn cung cấp than và urani quan trọng cho thế giới Song theo nghiên cứu của các chuyên gia, khoảng 20-30 năm nữa tài nguyên thiên nhiên ở Nga sẽ chẳng còn lại là bao Hiện nay, tỷ lệ khai thác dầu của Nga đã vượt quá 60%, việc tìm kiếm những mỏ mới thay thế ngày càng khó, 50 năm qua việc phát hiện những mỏ mới giảm 10 lần Thời kỳ hoàng kim năng lượng của Nga sẽ nhanh chóng biến mất và đối diện với thời kỳ cạn kiệt tài nguyên

Trong khi đó, sự bùng nổ của công nghiệp hóa ở các nước đang phát triển ở châu Á, châu Phi và Mỹ La-tinh, nhu cầu dầu lửa của thế giới ngày càng tăng một cách nhanh chóng Các nhà nghiên cứu quốc tế đánh giá, 2/3 lượng tăng nhu cầu năng lượng của thế giới là do nhu cầu của Trung Quốc và Ấn Độ Phần còn lại là do sự tăng nhu cầu dầu lửa của các nước đang phát triển khác IEA dự báo, năm 2008 thế giới sẽ cần bổ sung thêm khoảng 2,2 triệu thùng dầu mỗi ngày so với 1,5 triệu thùng trong năm 2007 và nhu cầu này sẽ tăng 2%/năm cho đến năm 2012 Theo Bộ Năng lượng

Mỹ, nhu cầu sử dụng dầu mỏ của thế giới đến 2025 sẽ tăng thêm khoảng 35% [33] Các số liệu tìm kiếm, thăm dò và nhận định về trữ lượng dầu toàn cầu của văn phòng Tổ chức kiểm soát năng lượng Anh (EWG) tại Đức cho biết, dưới lòng đất chỉ còn có khoảng 1.255 tỉ thùng, đủ để cho con người sử dụng trong 42 năm tới Với tốc

độ khai thác như hiện nay, trong vòng 30 năm nữa nguồn dầu lửa dưới lòng đất sẽ cạn kiệt Theo đó, thế giới sẽ chỉ sản xuất được 39 triệu thùng dầu/ngày vào năm 2030 so với con số 81 triệu thùng/ngày như hiện nay Trong khi đó, theo Cơ quan Năng lượng quốc tế (IEA), nhu cầu dầu lửa thế giới sẽ tăng đến 116 triệu thùng/ngày vào năm

2030 so với 86 triệu thùng/ngày như hiện nay Tức là vào thời điểm đó, thế giới chỉ được cung cấp chưa đến 1/3 nhu cầu dầu lửa Than đá và khí đốt cũng ở tình trạng tương tự Theo ước tính của các chuyên gia, trữ lượng than đá và khí đốt tự nhiên chỉ còn khoảng 909 tỉ tấn và sẽ cạn kiệt trong 155 năm nữa.[34]

1.1.2 Tình hình khủng hoảng năng lượng hiện nay trên thế giới

Cuộc chiến tranh dân sự ở Libya đã làm cắt giảm nguồn cung dầu thô toàn cầu xuống khoảng 1,1 triệu thùng/ngày làm suy giảm công suất dự phòng của OPEC xuống mức cực thấp là 2 triệu thùng/ngày, theo dự đoán của Goldman Sachs

Giờ đây, những sự kiện ở vùng Vịnh đều trở nên nguy hiểm sau khi Ả-rập

Xê-út phái binh lính đến Bahrain để hỗ trợ chế độ quân chủ Sunni tiêu diệt phe đối lập Shi’ite, dẫn đến nguy cơ tranh đấu với Iran

Báo New York Times cho biết Liên minh châu Âu (EU) nhiều khả năng sẽ đạt một thỏa thuận trừng phạt Iran vào đầu 2012, bao gồm việc đóng băng tài sản và cấm

đi lại đối với 190 cá nhân và tổ chức Iran EU cũng sẽ áp dụng các biện pháp cấm vận nhắm vào ngành hàng hải Iran Pháp kêu gọi các cường quốc trên thế giới đóng băng tài sản của Ngân hàng Trung ương Iran và ngừng mua dầu thô của nước này nhằm thuyết phục Iran từ bỏ chương trình hạt nhân quân sự Trong khi đó, Iran sản xuất 3,5 triệu thùng dầu/ngày vì thế bất cứ trục trặc nào đối với nguồn cung dầu khí từ Iran cũng có thể đẩy giá dầu tăng cao Nguy hiểm hơn nếu bị Israel hoặc Mỹ tấn công, Iran vẫn còn có thể ra đòn thứ hai là đóng cửa eo biển Hormuz, nơi qua lại của 40% lượng dầu giao dịch toàn cầu ảnh hưởng nghiêm trọng đến nền kinh tế toàn cầu, nhất là khi

Mỹ và châu Âu đang lao đao vì suy thoái và khủng hoảng nợ [35]

Năng lượng hạt nhân hiện nay cung cấp khoảng 13,8% điện năng trên thế giới Tuy nhiên, ngay sau tai nạn hạt nhân xảy ra bất ngờ đối với nhà máy điện hạt nhân

Fukushima Nhật Bản vào 11 tháng 3 năm 2011, một số quốc gia khác đã từ bỏ ý định đầu tư vào năng lượng hạt nhân cũng như việc đóng cửa 11 lò phản ứng hạt nhân ở Nhật đã làm giảm 10 gigawatts điện năng, buộc quốc gia này phải nhập khẩu nhiên liệu khác để duy trì nền kinh tế “Chúng tôi cho rằng họ sẽ cần thêm 200.000 thùng dầu nhiên liệu, dầu thô ngọt nhẹ, và khí đốt tự nhiên hóa lỏng mỗi ngày”, theo Eduardo Lopez ở Bộ năng lượng quốc tế Các lò phản ứng ở Fukushima đều bị hư hỏng Các nhà chức trách tại khu vực này không thể cho phép các lò phản ứng khác hoạt động lại trong một thời gian dài Việc đóng cửa 7 lò phản ứng được xây dựng từ trước năm 1980 tại Đức sẽ làm giảm nguồn cung năng lượng xuống khoảng 6,2 gigawatts, theo Daniel Brebner tại Ngân hàng Đức “Năng lượng hạt nhân đột ngột cắt giảm, từ việc trở thành một phần trong giải pháp cho năng lượng xanh tương lai đến tàn tích nguy hiểm của kỉ chiến tranh lạnh”, Daniel cho biết Đức sẽ phải bù đắp sự thiếu hụt này bằng cách nhập khẩu thêm than giữ nhiệt và khí đốt

Vẫn còn quá sớm để chỉ ra được có bao nhiêu lời hùng biện chống lại hạt nhân

sẽ được các chính trị gia thốt ra trong tuần này Đức đã áp đặt lệnh cấm khôi phục ở 17

lò phản ứng Thụy Sĩ và Đài Loan đang xem xét lại chính sách Hôm 16/3, Trung Quốc cho biết nước này đã đình chỉ lệnh thông qua 25 lò phản ứng chưa hoàn thiện

“Chúng tôi phải nắm bắt đầy đủ tính cấp thiết và tầm quan trọng của sự an toàn hạt nhân”, Hội đồng nhân dân Trung Hoa cho hay

Các lò phản ứng hạt nhân là một phần cốt lõi trong hỗn hợp nguồn cung cần thiết để đáp ứng nhu cầu bùng nổ về điện năng từ các cuộc cách mạng công nghiệp ở Trung Quốc và Ấn Độ Bất kì sự cắt giảm công suất nào cũng làm ảnh hưởng đến năng lượng, buộc phải viện dẫn nhiều hơn vào năng lượng hóa thạch [36]

1.2 VẤN ĐỀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

1.2.1 Vấn đề ô nhiễm môi trường

Trong mấy thập kỷ qua, nhân loại đã và đang trải qua các biến động bất thường của khí hậu toàn cầu Trên bề mặt Trái đất, khí quyển không ngừng nóng lên, thủy quyển không ngừng dâng cao đã làm xáo động môi trường sinh thái và đang gây ra nhiều hệ lụy với đời sống loài người

Hiện nay, ô nhiễm khí quyển là vấn đề thời sự nóng bỏng của cả thế giới chứ không phải riêng của một quốc gia nào Môi trường khí quyển đang có nhiều biến đổi rõ rệt, ảnh hưởng xấu đến con người và các sinh vật Hàng năm con người khai thác và sử dụng hàng tỉ tấn than đá, dầu mỏ, khí đốt Đồng thời cũng thải vào môi trường một khối lượng lớn các chất thải khác nhau như: chất thải sinh hoạt, chất thải từ các động cơ, nhà máy, xí nghiệp…, làm cho hàm lượng các loại khí độc hại tăng lên nhanh chóng Ô nhiễm môi trường khí quyển tạo nên sự ngột ngạt và "sương mù", gây nhiều bệnh cho con người Nó còn tạo ra các cơn mưa axít làm huỷ diệt các khu rừng

và các cánh đồng Điều đáng lo ngại nhất là con người thải vào không khí các loại khí độc đã gây hiệu ứng nhà kính ngày càng trầm trọng

Theo nghiên cứu của các nhà khoa học thì chất khí quan trọng gây hiệu ứng nhà kính là CO2 nó đóng góp 50% vào việc gây hiệu ứng nhà kính, CH4 là 13%, nitơ 5%, CFC là 22% , Ngoài ra các khí HC và CO cũng góp phần gây ô nhiễm đáng kể cho môi trường không khí

Hình 1.2 Ô nhiễm khí thải từ các loại phương tiện giao thông sử dụng

nhiên liệu hóa thạch tuyền thống

Theo các nhà khoa học ở đài quan trắc Mauna Loa, Hawaii, lượng khí thải CO2trong khí quyển đã đạt đến mức 387 ppm, tăng hơn 40% so kể từ thời kỳ cách mạng công nghiệp Đây cũng là mức cao nhất trong vòng 650.000 năm trở lại đây Cũng theo báo cáo của các nhà khoa học, lượng khí CO2 đang tăng nhanh hơn bao giờ hết Năm 2007 tốc độ tăng là 2,14ppm Trong khi đó, từ năm 1970 đến 2000, tốc độ này chỉ là 1,5ppm mỗi năm

Sự tăng vọt này cho thấy trái đất đang mất đi khả năng tự nhiên hấp thụ trở lại hàng tỉ tấn CO2 mỗi năm Các chuyên gia môi trường cho rằng, khoảng một nửa lượng khí thải trong tương lai sẽ được rừng và đại dương hấp thụ, nhưng những con số mới nhất cho thấy điều này là quá lạc quan

Hiện nay, Trái đất đang từng ngày từng giờ nóng lên Nếu như chúng ta không ngăn chặn được hiện tượng “hiệu ứng nhà kính” thì trong vòng 30 năm tới mặt nước biển sẽ dâng lên từ 1,5–3,5 m (Stepplan Keckes) Có nhiều khả năng lượng CO2 sẽ tăng gấp đôi vào nửa đầu thế kỷ sau Điều này sẽ thúc đẩy quá trình nóng lên của Trái Đất diễn ra nhanh chóng Nhiệt độ trung bình của Trái Đất sẽ tăng khoảng 3,60 °C (G.I.Plass), và mỗi thập kỷ sẽ tăng 0,30 °C

1.2.2 Tình hình biến đổi khí hậu

Theo dự báo của Tổ chức Liên chính phủ về Biến đổi khí hậu IPCC thì khu vực Đông Dương nhiệt độ sẽ gia tăng 1 C vào 2010-2039, và 3 C đến 4 C vào 2070-2099; lượng mưa sẽ giảm 20 mm vào 2010-2039, rồi sau đó tăng 60 mm vào 2070-2099; mực nước biển dâng cao 6 cm/năm, đạt mức 20 cm vào 2030, và 88 cm vào

2100 Còn tại Việt Nam, nhiệt độ sẽ tăng từ 0,3 - 0,5 độ C năm 2010, từ 1- 2 độ C vào năm 2020, từ 1,5 - 2 độ C vào năm 2070 Những khu vực có nhiệt độ tăng cao nhất là Tây Bắc và Việt Bắc

Hình 1.3 Tác động của sự gia tăng nhiệt độ của trái đất

Theo các tài liệu khí hậu quốc tế, trong vòng hơn 130 năm qua nhiệt độ Trái Đất tăng 0,40 C Hội nghị khí hậu tại Châu Âu được tổ chức gần đây, các nhà khí hậu học trên thế giới đã đưa ra dự báo rằng đến năm 2050 nhiệt độ của Trái Đất sẽ tăng thêm 1,5 – 4,50 C nếu như con người không có biện pháp hữu hiệu để khắc phục hiện tượng “hiệu ứng nhà kính”

Đối với sức khỏe con người, không khí ô nhiễm có thể giết chết nhiều cơ thể sống trong đó có con người Ô nhiễm tầng ôzôn có thể gây bệnh đường hô hấp, bệnh tim mạch, viêm họng, đau ngực, khó thể….Đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước gây tử vong xấp xỉ 14.000 người mỗi ngày, chủ yếu là do ăn uống với nguồn nước bẩn chưa được xử lý Ngoài ra các chất hóa học và kim loại nặng nhiễm trong thức ăn, nước uống có thể gây ung thư không thể chữa trị [4], [15]

Biến đổi khí hậu làm trầm trọng thêm áp lực về an ninh lương thực ở châu Thái Bình Dương Các cuộc khủng hoảng lương thực trong năm 2007 và 2008 đã chỉ

Á-ra rằng khủng hoảng lương thực rất phức tạp, quy mô lớn và tác động trực tiếp đến an ninh kinh tế của nhiều quốc gia Những nhà nghiên cứu chỉ ra rằng thế giới sẽ bị mất

300 triệu tấn ngũ cốc vào năm 2050, đó là kết quả của thay đổi khí hậu Những vùng đất Châu Phi nằm ở sa mạc Sahara sẽ phải đối đầu với nạn đói trầm trọng Theo nhiều nghiên cứu, nạn đói sẽ hoành hành ở nhiều nước đang phát triển ở châu Á, số lượng bị nạn đói đe dọa sẽ tăng lên 49 triệu (2020), 132 triệu (2050), 266 triệu (2080) [35] Nhiệt độ trái đất tăng lên làm cho biến đổi khí hậu diễn ra trên thế giới ngày càng phức tạp Theo các nghiên cứu công bố năm 2005 cho thấy cường độ những cơn

bão trong 30 năm qua tăng mạnh về số lượng cũng như cường độ đó là do nhiệt độ khí quyển tăng [5]

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NHIÊN LIỆU SINH HỌC

1.3.1 Tình hình sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học trên thế giới

Hiện nay, trên thế giới đã ghi nhận được nhiều thành công về ứng dụng nhiên liệu sinh học trong động cơ Trong đó có Mỹ, Bzazil, Thái Lan, Đức, Pháp, Nauy,

Thụy Điển, Canada, Ấn Độ, Trung Quốc, Úc, Rumani

Brazil là nước dẫn đầu thế giới trong lĩnh vực này Brazil là quốc gia sản xuất và

sử dụng cồn nhiên liệu lớn nhất thế giới hàng năm tiết kiệm được trên 2 tỷ USD chi cho việc nhập khẩu dầu Từ năm 1975, Chính phủ Brazil đã thực hiện chương trình mang tên Pro-alcohol mà sau này trở thành mẫu hình được nhiều quốc gia học tập để phát triển nhiên liệu sinh học

Tiếp theo là Mỹ, quốc gia tiêu thụ hàng năm 25% năng lượng trên thế giới (trong khi chỉ có 6% trữ lượng dầu mỏ), hơn 60% dầu mỏ phải nhập từ bên ngoài Năm l998,

Tổng thống Mỹ B.Clinton đã ký sắc lệnh 13101 về sử dụng sản phẩm sinh học thay thế một phần dầu mỏ Năm 2004, Mỹ đã sản xuất trên 13 triệu m3 cồn Để sử dụng nhiên liệu sinh học, Mỹ đã ban hành nhiều đạo luật về môi trường như: cấm sử dụng phụ gia hoá học làm tăng trị số Octan gây độc hại, bắt buộc sử dụng nhiên liệu sinh học ở các vùng đông dân cư, miễn thuế cho nhiên liệu pha cồn

Trung Quốc là quốc gia sản xuất và sử dụng cồn nhiên liệu lớn thứ 3 sau Brazil

và Mỹ Năm 2004, họ đã đa vào hoạt động nhà máy sản xuất cồn lớn nhất thế giới

công suất 600.000 tấn/năm tại Cát Lâm (mỗi năm tiêu thụ 1,9 triệu tấn ngô làm nguyên liệu), tăng sản lượng cồn Ethanol cả nước trên 3,5 triệu m3 Từ tháng 6 năm 2002,

nước này đã quyết định sử dụng xăng pha 10% cồn (E10) ở 5 thành phố và đến cuối

năm 2006 sẽ tăng thêm 27 thành phố đông dân khác

Ấn Độ đã sử dụng xăng pha 5% cồn ở 9 bang và 4 tiểu vùng từ ngày 1/1/2003, các bang còn lại sử dụng ở giai đoạn 2, giai đoạn 3 sẽ tăng 10% cồn pha trong xăng Các nước EU năm 2010 sẽ sử dụng 5,75% nhiên liệu sinh học trong tổng số xăng dầu cho giao thông vận tải năm 2020 sẽ tăng lên 20% Năm 2003 toàn thế giới đã sản xuất trên 38,5 triệu m3 Ethanol (Châu Mỹ khoảng 70%, Châu Á 17%, Châu Âu 10%),

trong đó 70% được dùng làm nhiên liệu ở trên 43 quốc gia Dự báo đến năm 2012

(thời hạn kết thúc Nghị định thương Kyoto) sản lượng Ethanol toàn cầu sẽ tăng lên

lít cồn Nếu sử dụng cồn để pha chế nhiên liệu hỗn hợp thì hằng năm nguồn nguyên liệu phế thải này có thể thu được 650 tỷ đồng

Hình 1.4 Nhà máy sản xuất Ethanol của tập đoàn dầu khí quốc gia Việt Nam

Năm 2003, tổng công suất của các nhà máy cồn của ngành mía đường là 48 triệu

lít Trong đó, Công ty đường Lam Sơn - Thanh Hóa có nhà máy sản xuất cồn công

suất 25 triệu lít/năm, sản phẩm cồn của nhà máy chủ yếu phục vụ nhu cầu xuất khẩu Ngoài ra, còn có các nhà máy sản xuất cồn khác như nhà máy rượu Bình Định có

công suất 5 triệu lít/năm; nhà máy cồn Bình Dương (thuộc công ty rượu Bình Tây) có

công suất 4,5 triệu lít/năm; nhà máy sản xuất cồn - rượu Quảng Ngãi có công suất 12 triệu lít/năm, sản phẩm cồn rượu của nhà máy còn xuất khẩu qua một số nước như: Đài Loan, Lào, Camphuchia Công ty đã có dự án xây dựng thêm một nhà máy sản xuất cồn với công suất 12 triệu lít/năm ở An Khê, nhà máy cồn Xuân Lộc - Đồng Nai

có công suất 20.000 lít/ngày

1.3.2 Khả năng sản xuất Butanol

Sản xuất Butanol có thể tận dụng cơ sở hạ tầng hiện hành của sản xuất Ethanol Quy trình hóa dầu oxo mang tính khả thi cao nhất để sản xuất Butanol rẻ tiền hơn từ các nguồn sinh khối khác nhau

Cách đây vài năm, một dự án liên doanh giữa BP và Dupont về sản xuất Butanol sinh học theo quy trình ABE tại Trung Quốc đã được thực hiện đang mang nhiều triển vọng thúc đẩy thị trường tiêu thụ nguồn nhiên liệu mới này Hơn nữa, nhiều nhà máy, bên cạnh quy trình đang dùng như ABE hay oxo cho vài chủng loại sinh khối, họ đều tuyên bố theo đuổi cải tiến đa dạng hóa nguồn sinh khối cho các quy trình trên [30] Theo sơ đồ ở hình 1.5 cho thấy được các phương pháp có thể sản xuất Butanol hiện nay Trong đó cách dễ sản xuất nhất là đem đường lên men trực tiếp Nếu là tinh bột thì phải sử dụng một số men để chuyển hóa rồi mới lên men được Riêng đối với các hạt rắn như hạt ngũ cốc ta phải đem đi nghiền, nấu, thủy phân đem đi đường hóa

rồi mới có thể lên men Đối với các quá trình sinh khối thì cenlulo và hemicellulo sẽ được thủy phân nhờ acid hoặc men tạo ra đường gluco và fructo, riêng cenlulo chỉ tạo

ra fructo, các đường này được đem đi đường hóa rồi lên men tạo Butanol

Gần đây, một nhóm nghiên cứu viên thuộc Viện Khoa học và Kỹ thuật công nghiệp tiên tiến Quốc gia của Nhật Bản (JAIST) đã phát triển một kỹ thuật tinh lọc Butanol sinh học mới, giúp tăng độ đậm đặc của dung dịch lên tới 82% khối lượng Butanol và từ đó, giảm đáng kể tổng số năng lượng cần thiết cho quy trình loại bỏ nước trong dung dịch Butanol

Hình 1.5 Sơ đồ các công nghệ sản xuất Butanol sinh học

Butanol sinh học (hay xăng sinh học) là một trong số những loại nhiên liệu lỏng thế hệ tiếp theo thay thế cho các sản phẩm hóa dầu đang được sử dụng hiện nay Butanol sinh học được chiết xuất từ đường lên men với số lượng lớn trong sinh khối xenluloza (từ gỗ), với mức calori cao hơn (34 MJ/kg) so với Ethanol (C2H5OH - 27

MJ/kg) Quá trình lên men đường dưới tác động của vi khuẩn tạo ra một dung dịch chứa nước với độ tập trung Butanol thấp (khoảng 0,5 - 1,5%) Khi độ tập trung này tăng lên, các vi khuẩn sẽ chuyển sang trạng thái “ngủ đông” và quá trình sản xuất bị dừng lại Do vậy, cần phải tách nước ra để thu được dung dịch có độ tập trung Butanol lớn AIST đã phát triển một loại màng phân tách mới bằng chất liệu silicalite với lớp gốm silic làm nền, cho phép thu được dung dịch tập trung 82% chỉ qua 1 lần bay hơi

(hình 1.7) Do vậy, tổng mức năng lượng cần để sản xuất Butanol tinh khiết chỉ còn

4,3 MJ/kg (13% lượng calorie của Butanol), thấp hơn 50 và 70% so với các quy trình

sử dụng gốm silic phủ và không phủ bột silicalite [36]

1.3.3 Tình hình nghiên cứu và sử dụng Butanol

Trong quá trình tìm kiếm các phương pháp cải thiện hiệu quả của nhiên liệu sinh học, các nhà hóa học đã nhận thấy rằng Butanol là phương án lựa chọn tốt hơn Ethanol Vì vậy, họ đang nỗ lực tìm kiếm những phương pháp tốt nhất để sản xuất Butanol ở quy mô lớn nhằm thay thế cho Ethanol

Theo xu hướng đó, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Tổng hợp Bristol, anh, đã đưa ra giải pháp là sử dụng nhóm các chất xúc tác ruteni để chuyển hóa Ethanol thành Butanol

Theo các nhà khoa học trong nhóm nghiên cứu, công nghệ của họ là phương pháp sản xuất Butanol gián tiếp, nhưng có ưu điểm là rất linh hoạt vì có thể chuyển đổi

cả dây chuyền sản xuất Ethanol đi từ nguyên liệu hóa dầu và dây chuyền sản xuất Ethanol đi từ nguyên liệu sinh khối Chất xúc tác ruteni của họ có hiệu quả rất cao, cho phép sản xuất Butanol với độ chọn lọc 95%, hiệu suất chuyển hóa Ethanol thành Butanol cao hơn 40%

Các nhà khoa học tại Bristol đã được cấp bằng sáng chế cho quy trình xúc tác sản xuất Butanol và hiện nay họ đang hợp tác với Bộ phận nhiên liệu sinh học của Tập đoàn BP để phát triển tiếp công nghệ này

Theo các chuyên gia tại BP, chất xúc tác mới tuy đang ở giai đoạn phát triển ban đầu nhưng có rất nhiều điểm chung với công nghệ chế biến hóa dầu hiện đại, có triển vọng áp dụng để chuyển hóa Ethanol thành Butanol ở quy mô lớn với hiệu suất cao [12]

Năm 2009, BP và DuPont cho ra đời sản phẩm Butamax ™ một loại nhiên liệu sinh học mới, tháng 11 năm 2009, BP và DuPont đã công bố thành lập một trung tâm nghiên cứu nhiên liệu sinh học tiên tiến ở Hull cho việc triển khai chế tạo bioButanol hoạt động vào năm 2010 [16]

Tại Anh, Green Biologics cũng đã tiến hành nghiên cứu sản xuất Butanol vi sinh vật biến đổi chủng gen và sẽ tích hợp các quá trình lên men thành một sản phẩm hoàn chỉnh Công nghệ tiên tiến này mở ra một bước thay đổi có hiệu quả kinh tế cao của quá trình lên men và cho phép sản xuất quy mô lớn của Green Biologics' Butafuel Tháng 9 năm 2008, Green Biologics đã ký thỏa thuận với Laxmi Organis để xây dựng

một nhà máy BioButanol thương mại ở Ấn Độ Tại Trung Quốc các Công ty cũng đang đầu tư xây dựng nhà máy sản xuất bioButanol Các công ty khác phát triển công nghệ sản xuất Cobalt Butanol nhiên liệu sinh học là Tetravitae Bioscience, Pháp Butalco GmBH, Thụy Sĩ đang phát triển quy trình sản xuất mới bioButanol dựa trên di truyền nấm men tối ưu hóa cùng với các chất xúc tác trong lĩnh vực công nghệ chế biến Tổng công ty Nhà Nước của Nga, sẽ bắt đầu xây dựng một nhà máy bioButanol trong khu vực Irkutsk vào mùa xuân năm 2011 Các nhà máy sẽ sử dụng gỗ và sản phẩm phế phẩm gỗ khác (Nguồn: Moscow Times)

Ở Việt nam, hiện nay tổng công ty xăng dầu Việt Nam (Petrolimex) đã phối hợp với một số trường đại học lớn như Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh tiến hành nhiều nghiên cứu về việc sử dụng nhiên liệu sinh học, trong đó đã chứng minh việc sử dụng xăng pha Ethanol thay thế xăng thông thường tốt hơn cho động cơ xăng

Gần đây nhất năm 2010, Viện dầu khí Việt Nam đã phối hợp với đại học Bách Khoa Đà Nẵng, tiến hành nghiên cứu đánh giá khả năng ứng dụng nhiên liệu sinh học xăng RON95 pha 10,5% Butanol trong động cơ xăng để thay thế một phần nhiên liệu truyền thống tại Việt Nam, kết quả rất khả quan [2]

Ở Việt Nam việc phát triển nguồn nhiên liệu sinh học hiện nay cũng được quan tâm Ngày 20/11/2007 Chính phủ đã phê duyệt "Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025" với mục tiêu chủ yếu phát triển nhiên liệu sinh học, một dạng năng lượng mới, tái tạo được để thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch truyền thống, góp phần bảo đảm an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường

1.4 KẾT LUẬN

Nhận thấy rõ tầm quan trọng của việc sử dụng loại nhiên liệu sạch, từ nguồn nguyên liệu có khả năng tái tạo, thay thế nguồn nhiên liệu dầu mỏ ngày càng cạn kiệt

và phù hợp với xu hướng phát triển toàn cầu về nhiên liệu sinh học, tác giả đã phát

triển theo hướng này và chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ phối trộn Butanol- Diesel đến tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ Diesel” nhắm tới mục tiêu như đã

nêu

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 QUÁ TRÌNH CHÁY ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

2.1.1 Diễn biến quá trình cháy của động cơ Diesel

Quá trình cháy trong động cơ diesel thực chất là quá trình ô xy hóa các thành phần hóa học có trong nhiên liệu kèm theo sự tỏa nhiệt mãnh liệt Quá trình cháy bao gồm hàng loạt các biến đổi về lý hóa, cái nọ nối tiếp cái kia và kéo dài cho đến cả sau khi hỗn hợp đã bốc cháy

Hình 2.1.Diễn biến quá trình cháy trong động cơ Diesel

Cuối kỳ nén, nhiên liệu được phun vào trong xilanh động cơ dưới dạng sương, nhờ nhiệt độ cao trong xilanh, các hạt nhiên liệu sẽ nhanh chống bay hơi kèm theo những biến đổi về vật lý, hình thành khí hỗn hợp và chuẩn bị cho nó bốc cháy Quá trình này chiếm một khoảng thời gian nhất định và được gọi là thời gian chuẩn bị cháy, ký hiệu là τi (giây), tương ứng với một khoảng góc quay φi (độ) của trục khuỷu

Quá trình cháy trong động cơ Diesel bao gồm nhiều quá trình trung gian kế tiếp nhau nhưng để cho việc nghiên cứu được dễ dàng, người ta chia quá trình cháy thành 4 giai đoạn trên cơ sở căn cứ vào bản chất các quá trình xảy ra trong xilanh động cơ

2.1.1.1 Giai đoạn chuẩn bị cháy:

Giai đoạn chuẩn bị cháy được xác định bằng khoảng thời gian từ lúc nhiên liệu được phun vào xilanh động cơ (điểm c’) đến khi áp suất trong xilanh động cơ bắt đầu tăng đột ngột, tức là đường cong áp suất biểu thị quá trình cháy tách khỏi đường cong nén (điểm c) Giai đoạn này trong xilanh động cơ diễn ra hàng loạt các quá trình phức tạp: sấy nóng nhiên liệu, bay hơi, phân hủy các phần tử có liên kết dài thành các phần

tử có liên kết ngắn, ôxy hóa Nhiên liệu đưa vào trong xilanh động cơ ở giai đoạn thứ nhất chiếm 30÷40% lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình Giai đoạn này được đặc trưng bằng thời gian chuẩn bị cháy τi (giây) hay góc chuẩn bị cháy φi (độ góc quay trục khuỷu) Giữa thời gian chuẩn bị cháy và góc chuẩn bị cháy có quan hệ với nhau theo công thức:

τi = φ

Trong đó: n là vòng quay động cơ (vòng/phút)

Thời gian chuẩn bị cháy τi càng dài, lượng nhiên liệu tích lũy trong giai đoạn này càng lớn, nó sẽ ảnh hưởng đến đặc tính quá trình cháy Đặc biệt trong các động cơ cao tốc, lượng nhiên liệu cấp trong giai đoạn này khá cao Cá biệt có những động cơ lượng nhiên liệu cấp trong giai đoạn này bằng 100% lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình Thời gian chuẩn bị cháy dài hay ngắn phụ thuộc vào nhiều yếu tố: như trạng thái kỹ thuật của động cơ, loại nhiên liệu, góc phun sớm

2.1.1.2.Giai đoạn tăng áp suất:

Giai đoạn này gọi là giai đoạn cháy nổ, được xác định bằng khoảng thời gian từ lúc bắt đầu sự bốc cháy rõ rệt của nhiên liệu (điểm c) đến thời điểm áp suất trong xilanh động cơ đạt giá trị lớn nhất (điểm z’) Ở giai đoạn này tốc độ tỏa nhiệt của nhiên liệu rất lớn đồng thời áp suất chất khí trong xilanh động cơ củng tăng lên một cách đáng kể

Để đánh giá chất lượng và mức độ cháy mãnh liệt của giai đoạn này, người ta dùng hai thông số là:

Hai thông số trên đánh giá mức độ làm việc nhẹ nhàng, tin cậy của động cơ Trị

số W, Wtb lớn, động cơ làm việc cứng có tiếng gõ Khi tốc độ tăng áp suất quá cao có thể dẫn đến hư hỏng bệ đỡ, trục khuỷu của động cơ và các chi tiết khác Khi động cơ làm việc bình thường, giá trị của W nằm trong khoảng 1÷6 (kG/cm2/độ)

Sở dĩ trong giai đoạn này có sự tỏa nhiệt mãnh liệt là vì phần nhiên liệu phun vào trong giai đoạn chuẩn bị cháy đã bắt đầu bốc cháy Nhiệt lượng tỏa ra trong giai đoạn này chiếm khoảng 1/3 số nhiệt lượng do nhiên liệu cung cấp

2.1.1.3.Giai đoạn tăng nhiệt độ:

Giai đoạn này được tính từ lúc áp suất trong xilanh động cơ đạt giá trị cực đại (điểm z’) đến khi nhiệt độ chất khí trong xilanh đạt giá trị cực đại (điểm Tmax) Trong giai đoạn này, việc cung cấp nhiên liệu vào trong xilanh động cơ cơ bản là chấm dứt Cường độ toả nhiệt ở giai đoạn này bắt đầu giảm xuống do nồng độ ôxy giảm Ở đầu giai đoạn này mặc dù piston đã đi xuống, thể tích xilanh tăng dần nhưng do nhiên liệu còn tiếp tục cháy mãnh liệt nên nhiệt độ tiếp tục tăng cao và đạt giá trị lớn nhất còn áp suất trong xilanh động cơ thay đổi không lớn lắm Đây là giai đoạn phát nhiệt chủ yếu, nhiệt lượng toả ra trong giai đoạn này chiếm khoảng (40  50)% toàn bộ nhiệt lượng

do nhiên liệu cháy Sự thay đổi áp suất trong xilanh động cơ ở giai đoạn này phụ thuộc vào mối tương quan giữa tốc độ cấp nhiên liệu và việc tăng thể tích của xilanh công tác Mặc dù quá trình cấp nhiên liệu thường kết thúc ở cuối giai đoạn này nhưng quá trình cháy có thể còn tiếp tục sau điểm z vì quá trình cháy đã bị chậm lại do số lượng ôxy tự do trong xilanh động cơ giảm xuống

2.1.1.4.Giai đoạn cháy rớt:

Giai đoạn này tương ứng với thời kỳ cháy rớt của nhiên liệu, được tính từ lúc nhiệt độ chất khí trong xilanh động cơ đạt giá trị cực đại đến khi kết thúc quá trình cháy nhiên liệu (điểm d) Trong giai đoạn này, tốc độ toả nhiệt giảm và tốc độ cháy nhiên liệu diễn ra chậm Trong tất cả các động cơ diesel hầu như đều tồn tại giai đoạn cháy rớt này Do tốc độ quay cao, các động cơ cao tốc có quá trình cháy rớt dài sẽ làm tổn thất nhiệt khí xả tăng, tính kinh tế của động cơ giảm xuống, làm xấu đi chế độ nhiệt của các chi tiết, đặc biệt là nhóm piston và cơ cấu phân phối khí Giảm hệ số dư lượng không khí  (đặc biệt ở chế độ quá tải), giảm góc phun sớm, chất lượng phun nhiên liệu kém, thay đổi loại nhiên liệu sử dụng, tăng số vòng quay và hàng loạt các yếu tố khác thay đổi là nguyên nhân làm cho quá trình cháy rớt phát triển

Để rút ngắn thời gian cháy rớt cần phải đảm bảo chất lượng tạo hỗn hợp, tăng hệ

số dư lượng không khí  và rút ngắn thời gian cấp nhiên liệu ở giai đoạn 3

2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy

2.1.2.1.Các yếu tố ảnh hưởng đến giai đoạn chuẩn bị cháy:

Thời gian của giai đoạn chuẩn bị cháy rất ngắn i = 0,005  0,001 (giây) Thời gian chuẩn bị cháy và quy luật cấp nhiên liệu hay lượng nhiên liệu cấp trong thời gian chuẩn bị cháy có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ tăng áp suất và độ cứng của động cơ làm việc êm, tránh được các hư hỏng do các ứng suất cơ gây ra Các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian chuẩn bị cháy bao gồm các yếu tố hoá học, các yếu tố vật lý, các yếu tố cấu tạo và các yếu tố khai thác

Các yếu tố về hoá học bao gồm thành phần, tính chất và cấu trúc của nhiên liệu, nồng độ ôxy trong buồng đốt, lượng khí sót còn sót lại của chu trình trước và các chất phụ gia kích thích quá trình cháy khi pha thêm vào nhiên liệu

Trong các yếu tố về hoá học thì thành phần và tính chất của nhiên liệu có ảnh hưởng đáng kể đến giai đoạn chuẩn bị cháy Trị số xetan của nhiên liệu sử dụng càng lớn càng rút ngắn thời gian chuẩn bị cháy và do vậy tốc độ tăng áp suất sẽ giảm đi Tăng nồng độ ôxy, giảm lượng khí sót trong buồng đốt hay pha thêm các chất phụ gia kích thích quá trình cháy vào trong nhiên liệu đều có thể làm rút ngắn thời gian chuẩn

Các yếu tố kết cấu bao gồm tỷ số nén, kết cấu buồng cháy, vòng quay động cơ, góc phun sớm nhiên liệu, tính dẫn nhiệt của piston, xilanh, cường độ làm mát piston là các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến giai đoạn chuẩn bị cháy

Các yếu tố kết cấu ảnh hưởng đến thông số cuối kỳ nén và chất lượng hoà trộn của hỗn hợp Tăng  làm cho thông số cuối kỳ nén tăng, tạo điều kiện thuận lợi cho sự chuẩn bị cháy nhiên liệu Đối với động cơ sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau thì ảnh hưởng của tỷ số nén đến thời gian chuẩn bị cháy cũng khác nhau

Tăng số vòng quay của động cơ làm cho thời gian chuẩn bị cháy i giảm xuống còn góc tương ứng với thời gian chuẩn bị cháy i ngược lại lại tăng lên Ảnh hưởng của tỷ số nén  và vòng quay động cơ đến thời gian chuẩn bị cháy được thể hiện trên hình 2.2

Hình 2.2.Ảnh hưởng của tỉ số nén  và tốc độ quay đến góc chuẩn bị cháy i (độ)

Còn ảnh hưởng của góc phun sớm được giải thích như sau: Trong mỗi động cơ, khi làm việc ở tốc độ quay định mức đều có một góc phun sớm có lợi nhất gọi là góc phun sớm tối ưu Tăng góc phun sớm lớn hơn góc phun sớm tối ưu là nhiên liệu được phun vào trong xilanh động cơ khi nhiệt độ và áp suất trong xilanh còn thấp dẫn đến

thời gian chuẩn bị cháy quá lớn sẽ làm cho quá trình cháy cứng, ứng suất cơ tăng Còn giảm góc phun sớm so với góc phun sớm tối ưu sẽ làm cho quá trình cháy rớt phát triển, tính kinh tế của động cơ giảm xuống

Chất lượng tạo hỗn hợp sẽ làm thay đổi quá trình ôxy hoá các hạt nhiên liệu trong thời gian chuẩn bị cháy và do đó thời gian chuẩn bị cháy sẽ dài ra hay ngắn đi Chất lượng tạo hỗn hợp phụ thuộc chủ yếu vào chất lượng phun nhiên liệu và chuyển động xoáy lốc của dòng không khí cuối kỳ nén Động cơ có buồng cháy xoáy lốc có khả năng tạo hỗn hợp tốt hơn động cơ có buồng cháy thống nhất

Vật liệu chế tạo piston cũng có ảnh hưởng đáng kể tới thời gian chuẩn bị cháy, đặc biệt là ở chế độ khởi động Những động cơ có piston chế tạo bằng nhôm khi ở chế

độ khởi động sẽ khó khởi động hơn hoặc dễ bị nhảy van an toàn do thời gian chuẩn bị cháy kéo dài Ở những động cơ này, thời gian chuẩn bị cháy bị kéo dài chủ yếu do khả năng truyền nhiệt tốt của piston và khe hở giữa piston và xilang lớn do hệ số giãn nở nhiệt lớn, điều này làm giảm chỉ số nén đa biến và dẫn đến làm giảm áp suất và nhiệt

độ cuối kì nén

Các yếu tố về khai thác bao gồm các điều kiện về môi trường như áp suất, nhiệt

độ, độ ẩm không khí môi trường, nhiệt độ nước làm mát, phụ tải và trạng thái nhiệt của động cơ Các yếu tố này sẽ ảnh hưởng đến các thông số vật lý, hoá học và do đó ảnh hưởng đến thời gian chuẩn bị cháy trong xilanh động cơ

2.1.2.2.Các yếu tố ảnh hưởng đến các giai đoạn còn lại của quá trình cháy

Giai đoạn 2 tức là giai đoạn cháy nổ phụ thuộc rất nhiều vào thời gian chuẩn bị cháy Trong cùng một điều kiện khai thác, khi rút ngắn thời gian chuẩn bị cháy i sẽ làm cho tốc độ tăng áp suất

Ngoài yếu tố i thì lượng nhiên liệu cấp vào trong thời gian chuẩn bị cháy φ i cũng

là yếu tố đáng kể ảnh hưởng tới sự thay đổi Pz và dP/d Thay đổi quy luật cấp nhiên

liệu sẽ làm φ i thay đổi, vì vậy trong những động cơ diesel tàu thuỷ hiện đại, người ta chế tạo cam nhiên liệu có biên dạng thay đổi nhằm thay đổi vận tốc của piston bơm cao áp Áp suất phun nhiên liệu ở giai đoạn đầu của những bơm cao áp loại này có thể nhỏ hơn 2  3 lần so với giai đoạn cuối

Giai đoạn cháy thứ 3 là giai đoạn cháy khi piston đã đi từ ĐCT xuống ĐCD Thời gian của giai đoạn 3 phụ thuộc vào thời gian của giai đoạn 1, giai đoạn 2 và góc cấp nhiên liệu toàn bộ Thay đổi góc cấp nhiên liệu toàn bộ sẽ làm cho thời gian của giai đoạn 3 thay đổi Khi góc cấp nhiên liệu toàn bộ không đổi việc kéo dài hay rút ngắn thời gian của giai đoạn 1 sẽ làm thay đổi giai đoạn 3

Có thể dùng thông số sau để phân tích đường cong quá trình cháy đó là:

i: góc quay trục khuỷu tương ứng với thời gian chuẩn bị cháy

tb: góc cấp nhiên liệu toàn bộ

Từ công thức trên có thể thấy

Khi i = tb  y = 0 , quá trình cháy diễn ra không khống chế được

Khi y tăng dần đến 1 tức là i giảm dần đến 0, việc khống chế quá trình cháy tăng lên Khi y = 1, (i = 0) quá trình cháy khống chế được hoàn toàn Thực tế điều này không thể xảy ra được với các động cơ diesel

Khi y <0 thời gian chuẩn bị cháy dài hơn thời gian cấp nhiên liệu toàn bộ Trong thực tế, trường hợp này có thể xảy ra trong quá trình khởi động động cơ diesel ở trạng thái nguội lạnh

Khi i giảm xuống, y tăng lên, quá trình cháy tiến dần đến quá trình cháy nhanh, hiệu suất chỉ thị của động cơ tăng và đồng thời các thông số động của chu trình cũng tăng theo Các động cơ diesel tàu thuỷ công suất lớn, giá trị của y nằm trong khoảng 0,55  0,80

Giai đoạn 4 của quá trình cháy là hậu quả của tất cả các giai đoạn trước Càng rút ngắn được thời gian của giai đoạn 4 thì tính kinh tế của động cơ càng tăng, trạng thái nhiệt của các chi tiết nhóm piston xilanh càng đảm bảo Giảm tốc độ quay của động cơ, tăng hệ số dư lượng không khí  hoặc cải thiện chất lượng phun sương và tạo hỗn hợp là những biện pháp hữu hiệu nhằm rút ngắn giai đoạn cháy rớt này Tuy nhiên

giai đoạn 4 này vẫn tồn tại trong tất cả các động cơ diesel

2.1.3 Điều chỉnh tỷ lệ phối trộn butanol cho động cơ Diesel

2.1.3.1 Các phương pháp điều chỉnh tỷ lệ phối trộn trong động cơ Diesel

Phối trộn nhiên liệu theo quy mô công nghiệp: Hỗn hợp nhiên liệu diesel được pha chế ngay trong các nhà máy quy mô lớn và được phân phối đến các điểm cấp nhiên liệu Đây là phương pháp được ứng dụng trong thực tế hiện nay

butanol-Thiết bị đồng thể hóa hổn hợp nhiên liệu: Theo phương pháp thực hiện, máy đồng thể chia ra làm hai loại: thiết bị với cơ cấu công tác quay và thiết bị với cơ cấu công tác cố định (không chuyển động)

Hiện nay trên thị trường có nhiều loại máy đồng thể có thể được giới thiệu như sau:

Máy đồng thể loại van

+ Máy đồng thể loại quay

Máy đồng thể loại rung

Máy đồng thể siêu âm

Máy đồng thể thủy động

2.1.3.2 Cách điều chỉnh tỷ lệ phối trộn động cơ thí nghiệm

Trộn thủ công bằng tay: Phương pháp này không khả thi trong thực tế, vì pha trộn thủ công bằng tay sẽ không đảm bảo cho sự đồng nhất hỗn hợp sau khi pha, mặt khác quá trình này không thể áp dụng ở quy mô lớn nên chỉ áp dụng trong quá trình tạo mẫu thử nghiệm

2.2 NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

2.2.1 Nhiên liệu sử dụng cho động cơ Diesel

2.2.1.1.Nhiên liệu Diesel:

Thành phần chủ yếu của nhiên liệu diesel là các hợp chất hydrocarbon có trong các phân đoạn gasoil nhẹ, trung bình và nặng trong quá trình chưng cất trực tiếp dầu

mỏ Phạm vi nhiệt độ sôi của phân đoạn gasoil thông thường trong khoảng 200÷3600C (củng có thể mở rộng thêm tùy theo yêu cầu sản xuất) Ngoài các phân đoạn gasoil của chưng cất trực tiếp, còn dùng các phân đoạn gasoil của các quá trình chế biến thứ cấp khác như cracking, hydrocracking, nhiệt phân và cốc hóa Về bản chất hóa học, nhiên liệu diesel là hỗn hợp hydrocarbon có nhiệt độ sôi phù hợp với phạm vi nhiệt độ sôi của phân đoạn gasoil nhẹ Thành phần có chất lượng tốt nhất cho nhiên liệu diesel là các hydrocarbon n-parafin Các hydrocarbon dạng naphten và mạch nhánh có chất lượng kém hơn và kém nhất là các hydrocarbon thơm

Như vậy nhiên liệu diesel phù hợp với các cấu từ trái ngược với cấu từ hydrocarbon trong xăng Nguyên nhân sự khác nhau này là do sự khác nhau về nguyên

lý hoạt động của hai loại động cơ Do đó trong công tác bảo quản và vận chuyển cần tránh để hai loại nhiên liệu này trộn lẫn vào nhau Sự trộn lẫn hai nhiên liệu khác nhau

đó sẽ gây nên những hoạt động không bình thường trong cả hai loại động cơ

Ngoài ra trong nhiên liệu diesel có chứa một số phụ gia nhằm nâng cao chất lượng nhiên liệu như phụ gia cải thiện trị số xetan, phụ gia chống đông,

2.2.1.2.Nhiên liệu sinh học:

Hiện nay nguồn dầu khoáng đang cạn kiệt dần và vấn đề ô nhiễm môi trường đặt ra cho con người phải tìm ra những loại nhiên liệu thay thế Trong những năm gần đây, rất nhiều nước trên thế giới đã quan tâm tới sản xuất các loại nhiên liệu sạch, đặc biệt là nhiên liệu sinh học

Nhiên liệu sinh học có các nhóm sau:

Khí sinh học (Biogas): Biogas là hổn hợp khí methane (CH4) và một số khí

khác phát sinh từ sự phân hủy các vật chất hữu cơ trong môi trường yếm khí Thành phần chính của Biogas là CH4 (50-60%) và CO2 (>30%) còn lại là các chất khác như hơi nước N2, O2, H2S, CO, … được thuỷ phân trong môi trường yếm khí, xúc tác nhờ nhiệt độ từ 20÷40ºC, do đó có thể sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong Để sử dụng biogas làm nhiên liệu thì phải xử lý biogas trước khi sử dụng tạo nên hỗn hợp nổ với không khí Khí H2S có thể ăn mòn các chi tiết trong động cơ, sản

phẩm của nó là SOx cũng là một khí rất độc Hơi nước có hàm lượng nhỏ nhưng ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ ngọn lửa, giới hạn cháy, nhiệt trị thấp và tỷ lệ không khí/nhiên liệu của Biogas

Nhiên liệu sinh học rắn: Một số loại nhiên liệu sinh học rắn mà các nước đang

phát triển sử dụng hàng ngày trong công việc nấu nướng hay sưởi ấm là gỗ, và các loại phân thú khô

Nhiên liệu lỏng: Bao gồm Bio-metanol, Bio-ethanol, Bio-butanol

Biodiesel là nhiên liệu sinh học được quan tâm hơn cả do xu hướng diesel hóa động cơ trên toàn cầu.Biodiesel là các alkyl este của axyt béo, một phụ gia rất tốt cho nhiên liệu diesel để làm giảm lượng khí thải, hơn thế nữa nó là nguồn nguyên liệu có thể tái tạo được

2.2.2 Nhiên liệu sinh học dùng cho động cơ Diesel

2.2.2.1.Giới thiệu chung về nhiên liệu sinh học dùng cho động cơ Diesel (Biodiesel):

Biodiesel là một loại nhiên liệu lỏng có tính năng tương tự và có thể sử dụng thay thế cho dầu diesel truyền thống Biodiesel được điều chế bằng cách dẫn xuất từ một số loại dầu mỡ sinh học (dầu thực vật, mỡ động vật) ở Việt Nam, các nhà khoa học đã bắt tay vào nghiên cứu sản xuất biodiesel trong phòng thí nghiệm và các nhà máy sản xuất có quy mô lớn rất có triển vọng

Biodiesel là các alkyl este của axit béo, một phụ gia rất tốt cho nhiên liệu diesel

để làm giảm lượng khí thải độc hại, hơn thế nữa nó là nguồn nguyên liệu có thể tái tạo được Biodiesel được sản xuất từ các nguồn khác nhau như dầu, mỡ động thực vật, từ cặn dầu thải

Bảng 2.1.So sánh nhiên liệu sinh học và nhiên liệu từ dầu mỏ

Sản xuất từ dầu mỏ Sản xuất từ nguyên liệu thực vật

Hàm lượng lưu huỳnh cao Hàm lượng lưu huỳnh cực thấp

Chứa hàm lượng chất thơm Không chứa hàm lượng chất thơm

Khó phân hủy sinh học Có khả năng phân hủy sinh học cao

Không chứa hàm lượng ôxy Có 11% ôxy

Như vậy việc phát triển nhiên liệu sinh học có lợi về nhiều mặt như sẽ giúp nhiên liệu cháy triệt để hơn (vì thêm ôxy trong thành phần nhiên liệu), giảm đáng kể các chất thải độc hại như SO2, CO, CO2, các hydrocarbon chưa cháy hết, giảm cặn buồng đốt mở rộng nguồn năng lượng, đóng góp vào an ninh năng lượng

2.2.2.2.Các nguồn nguyên liệu để sản xuất biodiesel:

Nguyên liệu chính để sản xuất biodiesel là dầu thực vật, trong dầu thực vật có chứa lipit, triglixerin, photpholipit, sáp, hợp chất chứa nito, saccarit và dẫn xuất của

chúng, nguyên tố khoáng chất (chất trơ), trong đó để sản xuất biodiesel chủ yếu sử dụng thành phần triglixerin của dầu thực vật

Ngoài ra còn có các nguồn khác như:

-Mỡ động vật, với loại nguyên liệu này, ngoài tác nhân trao đổi este là metanol,

có thể dùng tác nhân 65% metanol+35% etanol củng thu được độ nhớt cần thiết của biodiesel

-Dầu phế thải của nhà máy chế biến dầu, mỡ: trị số xetan của sản phẩm thu được củng đạt tới 94, đáp ứng tiêu chuẩn của diesel thông dụng

-Dầu tảo: cho hiệu suất thu hồi biodiesel cao hơn dầu thực vật

2.2.2.3.Các phương pháp tổng hợp biodiesel:

*Tổng hợp biodiesel theo phương pháp trao đổi este:

Phương pháp chuyển hóa este tạo biodiesel là tốt nhất, vì các đặc tính vật lý của alkyl este rất gần với nhiên liệu diesel thông dụng và các quá trình này củng tương đối đơn giản, chi phí thấp

R2COOCH + 3ROH CH-OH + R2COOR

Dầu thực vật Rượu mạch thẳng Gryxerin Biodiesel

Tác nhân phản ứng trao đổi este là các alcol khác nhau, thông thường hay dùng

là metanol

*Tổng hợp biodiesel bằng phương pháp hydrocracking xúc tác dầu thực vật:

Phương pháp này thực hiện ở nhiệt độ cao, 450÷5000C có sử dụng xúc tác Bản chất là sẽ xảy ra phản ứng cắt đứt liên kết C-H, liên kết C-OOR để tạo ra các hydrocarbon khác nhau, tách ra CO2, hoặc H2O Như vậy khác với phương pháp trao đổi este, sản phẩm tạo ra hầu như không còn ôxy, thành phần gần giống diesel khoáng Sản phẩm thu được gọi là Green diesel không chứa ôxy có trị số xetan đạt rất cao tới 80÷90

*Nhiệt phân dầu thực vật:

Nhiệt phân là phân hủy các phân tử dầu thực vật bằng nhiệt không có mặt của ôxy, kết quả tạo ra các alkal, alkadien, các axit cacbonxylic, hợp chất thơm và lượng nhỏ các sản phẩm khí

*So sánh chất lượng biodiesel và diesel khoáng:

Sản phẩm cháy của biodiesel sạch hơn nhiều so với nhiên liệu diesel khoáng, riêng B-20 (20% biodiesel, 80% diesel khoáng) có thể được sử dụng trong các động cơ diesel mà không cần làm thay đổi kết cấu của động cơ, thực tế các động cơ diesel sẽ chạy tốt hơn khi pha chế 20% diesel

Bảng 2.2 So sánh tính chất của nhiên liệu diesel khoáng với biodiesel

Các chỉ tiêu Biodiesel Diesel khoáng

Ưu điểm của biodiesel:

Trị số xetan cao: biodiesel là các alkyl este mạch thẳng do vậy có trị số xetan cao hơn so với diesel khoáng, trị số xetan của biodiesel thường từ 56÷58

Hàm lượng lưu huỳnh thấp: trong biodiesel hàm lượng lưu huỳnh rất thấp, khoảng 0.001% Đặc tính này của biodiesel giúp làm giảm đáng kể khí thải và ăn mòn động cơ

Quá trình cháy sạch: do trong nhiên liệu biodiesel chứa khoảng 11% ôxy nên quá trình cháy của nhiên liệu xảy ra hoàn toàn Vì vậy với những động cơ sử dụng nhiên liệu biodiesel thì sự tạo muội, đóng cặn trong động cơ giảm đáng kể

Khả năng bôi trơn cao nên giảm mài mòn: biodiesel có khả năng bôi trơn bên trong rất tốt, khi thêm vào một tỷ lệ thích hợp biodiesel, sự mài mòn của động cơ được giảm mạnh

Tính ổn định của biodiesel: sự thuận lợi rất lớn về mặt môi trường của biodiesel

là khả năng phân hủy rất nhanh, tuy nhiên cần chú ý trong khâu bảo quản

Khả năng thích hợp cho mùa đông: biodiesel rất phù hợp cho sử dụng vào mùa đông ở -200

2.2.3 Nhiên liệu Butanol và nhiên liệu phối trộn Diesel-Butanol

2.2.3.1.Nhiên liệu Butanol:

Butanol là hợp chất hóa học thuộc nhóm của rượu đơn chất có 4 nguyên tử carbon với công thức C4H9OH

Butanol có các đồng phân: n-butanol, iso-butanol, sec-butanol và tert-butanol Trong đó bằng con đường lên men thì hiện tại sản phẩm chính thu được là n-butanol

*n-butanol:

Là chất lỏng trong suốt, không màu, có thể cháy được và có mùi chuối

Thị trường toàn cầu: 3 triệu tấn/năm (giá trị thị trường trên 4 tỷ $)

Ứng dụng:

Dung môi dùng trong sơn, lớp phủ, véc ni (lớp sơn ngoài);

Chất hóa dẻo- để cải thiện tính chất vật lý của nhựa;

Là chất trung gian, nguyên liệu cho các nghành hóa học và plastic khác;

Dùng trong ngành dệt- chất trương nở cho sơ sợi;

Mỹ phẩm- sản xuất trang điểm chăm sóc móng;

Ngành dược phẩm- thuốc kháng sinh, hormone, vitamins;

Phụ gia pha xăng và dầu phanh (thành phần tổng hợp)

Dùng làm dung môi;

Chủ yếu được chuyển hóa thành butanone (“MEK’’-methyl ethyl ketone); Ester của sec-butanol có mùi dễ chịu và được dùng với lượng nhỏ trong sản xuất nước hoa hoặc làm chất tạo mùi nhân tạo

*Tert-butanol:

Chất lỏng trong suốt, có mùi long não (camphor-kike) Tan tốt và tan vô hạn trong etanol và diethyl ether Đóng rắn ở nhiệt độ phòng (điểm chảy khoảng 250C) Ứng dụng:

Dung môi;

Chất biến tính ethanol;

Thành phần trong chất tẩy sơn;

Phụ gia xăng (tăng chỉ số octane);

Chất trung gian trong tổng hợp các chất như MTBE, ETBE, TBHP, chất mùi khác

So sánh các đồng phân của butanol:

Bảng 2.3.So sánh các đồng phân của butanol về tính chất hóa lý

Tính chất n-butanol Iso-butanol Sec-butanol Tert-butanol Khối lượng riêng ở

-Sec-butanol: không thể được sản xuất trực tiếp từ quá trình lên men, nhưng có thể thu 2,3-butanediol từ lên men, sau đó tách nước để tạo ra MEK Hydro hóa MEK

bioethanol Tuy nhiên, chỉ có n-butanol là chất có thể thu được từ quá trình lên men với lượng lớn Vì vậy, khi nói đến biobutanol tức hiểu là n-butanol

Tiềm năng sử dụng biobutanol:

Tính chất biobutanol gây hấp dẫn trong lĩnh vực nhiên liệu sinh học vì nó có thể trộn với xăng, dùng chung hệ thống phân phối và nạp liệu xăng, và chạy các động cơ chạy xăng dầu hiện hành được

Biobutanol có những ưu điểm chính yếu:

-Butanol có thể vận hành thuận tiện trong các cơ sở hạ tầng dành cho chế biến, lưu trữ dầu mỏ kể cả vận chuyển bằng đường ống

-Butanol có thể trộn với xăng hoặc dầu với bất kỳ tỷ lệ nào Vì vậy, nó làm giảm chi phí đầu tư liên quan đến việc làm mới lại nhà máy hoặc những thay đổi trong điều hành

-Butanol không hòa tan hay hấp thụ nước hoặc cặn bùn trong ống, thùng và các dụng cụ thiết bị khác

-Chỉ số octan và mật độ năng lượng của butanol gần với xăng và vì thế giá trị kinh tế của nhiên liệu này sẽ không gây giảm cấp như hỗn hợp etanol với xăng

-Vì áp suất hơi của butanol thấp hơn xăng nên nó không làm tăng áp suất hơi Reid (Reid vapor pressure-RVP) của nhiên liệu Đây là đặc tính then chốt cho xăng thành phẩm

-Butanol có tính tan thấp trong nước cho nên butanol làm giảm thiếu sự rò rỉ và lan vào nước ngầm

-Giống như các rượu khác, butanol cũng có khả năng phân hủy sinh học giúp giới hạn các tác động xấu đến môi trường như biến cố rò rỉ hoặc chảy tràn

Bên cạnh đó sản xuất butanol có thể tận dụng cơ sở hạ tầng hiện hành của sản xuất ethanol Quy trình hóa dầu oxo mang tính khả thi cao nhất để sản xuất butanol rẻ tiền hơn từ các nguồn sinh khối khác nhau

Lên men tạo butanol khác với lên men tạo ethanol chủ yếu là tác nhân Quá trình lên men tạo butanol dùng vi khuẩn, còn quá trình lên men tạo ethanol chủ yếu là nấm men Lên men butanol tốn ít năng lượng hơn nhưng sơ đồ phân tách sản phẩm phức tạp hơn

Tuy nhiên, may mắn thay, sản xuất butanol sinh học không gặp phải vấn đề này Chỉ phải tốn một số ít tiền dùng để cải tiến khu vực chưng cất của nhà máy (chủ yếu liên quan đến cụm nạp liệu, lên men, phân tách ban đầu, xử lý sản phẩm phụ, và ngoài nhà máy) Do vậy, các nhà máy sản xuất ethnol có thể nhanh chóng chuyển đổi

và đáp ứng yêu cầu sản xuất butanol trước khi gặp phải nguy cơ khủng hoảng tăng vọt

về nhu cầu nhiên liệu ethanol

Giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính:

Tại Mỹ, thí nghiệm sử dụng 100% butanol làm nhiên liệu đã được tiến hành (công ty Butyl LLC), chạy khoảng 100 dặm ở Mỹ và kết quả hàm lượng khí thải cho thấy:

Giảm hàm lượng hydrocarbon trong khí thải 95%;

Giảm NOx 37%

Lợi ích môi trường:

Công ty DuPont và BP hiện tại đang tiến hành phân tích và tính toán chi tiết vòng tuần hoàn phát thải của biobutanol Những kết quả ban đầu cho thấy, với cùng nguồn nguyên liệu, biobutanol có mức độ giảm phát thải khí ô nhiễm ít nhất bằng ethanol;

Lợi ích mặt nông nghiệp:

Biobutanol được sản xuất từ nguồn nhiên liệu như ethanol (ngô, lúa mỳ, mía, củ cải đường);

Biobutanol có ích cho người nông dân trên thế giới vì nó mang lại cơ hội thị trường khác nhau cho các sản phẩm nông nghiệp quan trọng, nên tăng thêm thu nhập cho người nông dân;

Quá trình pha trộn NLSH vào xăng trở nên thuận tiện, dễ dàng hơn, không chỉ pha trực tiếp biobutanol hoặc gián tiếp thông qua sự kết hợp của biobutanol với ethanol, biobutanol sẽ giúp mở rộng thị trường NLSH củng như thị trường cho các loại nông sản liên quan, tăng thêm giá trị cho ngành nông nghiệp

2.2.3.2.Nhiên liệu phối trộn Diesel-Butanol:

Nhiên liệu diesel-butanol là một loại nhiên liệu diesel sinh học được sản xuất từ nguyên liệu sinh học với thành phần hóa học chủ yếu là methyl ester của các axit béo

So với diesel truyền thống, sản xuất từ dầu mỏ, thì diesel sinh học có nhiều ưu điểm về mặt bảo vệ môi trường như chứa ít lưu huỳnh (2-11ppmS), dễ phân hủy bằng vi sinh, giảm ô nhiễm không khí Ngoài ra chúng có tính bôi trơn cao hơn diesel dầu mỏ nên tuổi thọ của động cơ sẽ dài hơn và nguồn nguyên liệu lấy từ sản phẩm hoặc phế thải nông nghiệp, thủy sản nên có thể tái sinh nhanh, góp phần tăng giá trị nông nghiệp, sử dụng được lao động dôi dư, đất cằn cỗi giảm nhập khẩu tốn kém ngoại tệ

2.3 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

2.3.1 Các thông số chỉ thị

2.3.1.1 Công suất chỉ thị:

Muốn xác định công suất chỉ thị cần phải xác định áp suất chỉ thị, là áp suất giả thiết không đổi tác dụng lên piston trong một hành trình làm việc để sinh ra một công bằng công chỉ thị của khí cháy trong một chu trình làm việc của động cơ

Hình 2.3 Đồ thị công

Khi có đồ thị công hay đồ thị chỉ thị thực tế (hình 2.3), có thể xác định được áp suất chỉ thị trung bình như sau :

Trong đó : p i - Áp suất chỉ thị trung bình ;

F- Diện tích của đồ thị công hay đồ thị chỉ thị, được giới hạn giữa đường cong nén và cháy giãn nở, (mm2) ;

L- Chiều dài của đồ thị công (mm) ; m- Tỷ lệ xích áp suất của đồ thị công (N/m2/mm)

Trị số của áp suất chỉ thị trung bình pi chính là chiều cao của hình chữ nhật ABCD có diện tích bằng diện tích của đồ thị công hay đồ thị chỉ thị

Công suất chỉ thị là công do khí cháy thực hiện được ở xilanh của động cơ sau một chu trình làm việc sẽ là :

Trong đó : pi- Áp suất chỉ thị trung bình (N/m2) ;

Vh- Thể tích làm việc của một xilanh (m3)

Nếu gọi τ là số kỳ của động cơ hay số hành trình của piston sau một chu trình làm việc, thì công suất chỉ thị do khí cháy thực hiện được ở xilanh sau thời gian 1 giây

sẽ là:

Li=

Trong đó: pi- Áp suất chỉ thị trung bình (N/m2)

Vh- Thể tích làm việc của một xilanh (m3)

n- Số vòng quay của động cơ (vg/ph)

τ- Số kỳ của động cơ