Nghiên cứu sử dụng dầu diesel sinh học từ mỡ cá da trơn cho động cơ của phương tiện khai thác thủy sản

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu hỗn hợp biodiesel và DO từ mỡ cá da trơn đến các thông số công tác chủ yếu của động cơ diesel tàu cá, từ đó chỉ ra khả năng sử dụ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

_

HỒ TRUNG PHƯỚC

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG DẦU DIESEL SINH HỌC TỪ MỠ CÁ

DA TRƠN CHO ĐỘNG CƠ CỦA PHƯƠNG TIỆN KHAI THÁC

THỦY SẢN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

KHÁNH HÕA – 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

HỒ TRUNG PHƯỚC

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG DẦU DIESEL SINH HỌC TỪ MỠ CÁ

DA TRƠN CHO ĐỘNG CƠ CỦA PHƯƠNG TIỆN KHAI THÁC

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Nha Trang

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS.TS Phan Văn Quân, Trường ĐH Giao thông Vận tải Tp Hồ Chí Minh

2 PGS.TS Trần Gia Thái, Trường ĐH Nha Trang

Phản biện 1: PGS.TS Vũ Ngọc Khiêm, trường ĐH Công nghệ Giao thông vận tải

Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Hoàng Vũ, Học viện Kỹ thuật Quân sự

Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Lê Duy Khải, Trường ĐH Bách khoa Tp.HCM

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan mọi kết quả nghiên cứu của đề tài: “Nghiên cứu sử dụng

dầu Diesel sinh học từ mỡ cá da trơn cho động cơ của phương tiện khai thác thủy sản” là công trình nghiên cứu của riêng tôi và chưa từng được công bố trong bất cứ

công trình khoa học nào khác cho tới thời điểm này

Khành Hòa, ngày tháng 8 năm 2019

Tác giả luận án

Hồ Trung Phước

ii

LỜI CẢM ƠN

Xuất phát từ niềm đam mê nghiên cứu khoa học, đặc biệt là lĩnh vực nghiên cứu

về tàu cá Ngay từ khi còn là sinh viên trường Đại học Hàng Hải những năm 80, bản thân tôi luôn gắn bó với công việc trên và với niềm đam mê đó, tôi lựa chọn đề tài luận

án này Trong suốt thời gian thực hiện luận án, tôi luôn nhận được sự giúp đỡ của Ban Giám hiệu, quý Phòng, Khoa của Trường Đại học Nha Trang Đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS Phan Văn Quân, PGS.TS Trần Gia Thái, đã truyền thụ kiến thức và tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành công trình nghiên cứu Qua đây, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến sự giúp đỡ này

Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Khoa Kỹ thuật Giao thông Trường Đại học Nha Trang và Khoa Kỹ thuật Tàu thủy Trường Đại học Giao thông Vận tải Thành Phố

Hồ Chí Minh, đã cung cấp thông tin, tài liệu và đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho luận án

Xin chân thành cảm ơn cán bộ và nhân viên Sở Khoa học Công nghệ của các tỉnh khu vực Nam Trung Bộ và đồng bằng sông Mê Kông đã hỗ trợ về nhân lực, cung cấp thông tin cần thiết và trang thiết bị để quá trình thực nghiệm được hoàn thành

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, cơ quan và các đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện luận án

Xin chân thành cảm ơn!

Khánh Hòa, ngày tháng 8 năm 2019

Tác giả luận án

Hồ Trung Phước

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC KÍ HIỆU vii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT x

DANH MỤC CÁC BẢNG xii

DANH MỤC CÁC HÐNH xiii

TÑM TẮT NHỮNG ĐÑNG GÑP MỚI CỦA LUẬN ÁN xv

MỞ ĐẦU 1

1 LÝ DO THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 1

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 2

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3

3.1 Đối tượng nghiên cứu 3

3.2 Phạm vi nghiên cứu 3

4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 3

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN 3

5.1 Ý nghĩa khoa học 3

5.2 Tính thực tiễn của luận án 4

6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4

6.1 Nghiên cứu lý thuyết 4

6.2 Nghiên cứu thực nghiệm 4

7 KẾT CẤU LUẬN ÁN 4

8 NHỮNG HẠN CHẾ CỦA LUẬN ÁN 5

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIODIESEL VÀ LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ NGHIÊN CỨU 6

1.1 Tổng quan về nhiên liệu sinh học và biodiesel 6

1.2 Tình hình nghiên cứu sử dụng biodiesel trên Thế giới và tại Việt Nam 14

1.2.1 Trên Thế giới 14

1.2.2 Tại Việt Nam 18

1.3 Cơ sở lựa chọn động cơ diesel làm máy chính tàu cá phục vụ nghiên cứu 24

1.4 Kết luận chương 1 28

iv

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÒ HÐNH TOÁN MÒ TẢ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIÊN LIỆU BIODIESEL ĐẾN CÁC THÒNG SỐ CÒNG TÁC CHỦ YẾU CỦA

ĐỘNG CƠ DIESEL 29

2.1 Các thông số công tác chủ yếu của động cơ diesel 30

2.1.1 Công suất của động cơ 31

2.1.2 Hiệu suất 32

2.1.3 Tiêu hao nhiên liệu 33

2.1.4 Phát thải khí xả 33

2.2 Nhiên liệu dùng cho động cơ diesel 34

2.2.1 Nhiệt trị 35

2.2.2 Độ nhớt và khối lượng riêng 35

2.2.3 Sức căng bề mặt và tính bay hơi 35

2.2.4 Nhiệt độ chớp lửa và nhiệt độ bốc cháy 36

2.2.5 Nhiệt độ vẩn đục và nhiệt độ đông đặc 36

2.2.6 Khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu 36

2.3 Ảnh hưởng của nhiên liệu biodiesel đến các thông số công tác chủ yếu của động cơ diesel 37

2.3.1 Nhiên liệu biodiesel từ mỡ cá 37

2.3.2 Ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu biodiesel đến quá trình phun 42

2.3.3 Ảnh hưởng của nhiên liệu biodiesel đến quá trình cháy 55

2.3.4 Ảnh hưởng của nhiên liệu biodiesel đến công suất và suất tiêu hao nhiên liệu 64

2.3.5 Ảnh hưởng của biodiesel đến phát thải khí xả 64

2.3.5.1 Ảnh hưởng của biodiesel đến phát thải bồ hóng 64

2.3.5.2 Ảnh hưởng của biodiesel đến phát thải NOx 66

2.3.5.3 Ảnh hưởng của biodiesel đến nhiệt độ khí xả 68

2.4 Kết luận chương 2 68

Chương 3 ĐÁNH GIÁ CÁC THÒNG SỐ CÒNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU B10 BẰNG MÒ PHỎNG SỐ 69

3.1 Phương pháp mô phỏng trong nghiên cứu phát triển động cơ 69

3.2 Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ Cummins NTA855 sử dụng nhiên liệu B10 70

3.2.1 Phần mềm mô phỏng mã nguồn mở CFD KIVA-3V 70

3.2.2 Các phương trình chủ đạo trong tính toán của phần mềm CFD KIVA–3V 75

3.2.3 Xác định các điều kiện để hiệu chỉnh mô hình mô phỏng 78

v

3.3 Kết quả mô phỏng 81

3.3.1 Phun và hình thành hỗn hợp cháy 81

3.3.2 Sự biến thiên áp suất cháy trong xi lanh 83

3.3.3 Biến thiên nhiệt độ và tốc độ tỏa nhiệt 89

3.4 Kết luận chương 3 102

Chương 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIODIESEL TỪ MỠ CÁ DA TRƠN CHO ĐỘNG CƠ DIESEL CUMMINS NTA855 CỦA TÀU CÁ 103 4.1 Xác định phương pháp hòa trộn nhiên liệu giữa B100 với DO 104

4.1.1 Phương pháp hòa trộn trên đường ống (On line blending) 104

4.1.2 Phương pháp hòa trộn trong đường ống (In line blending) 104

4.1.3 Phương pháp hòa trộn văng tóe (Splash blending) 105

4.1.4 Phương pháp hòa trộn trung gian (Intermediate blends) 106

4.1.5 Phương pháp hòa trộn khuấy 106

4.2 Bố trí thiết bị thực nghiệm 109

4.2.1 Thiết bị thực nghiệm 109

4.2.1.1 Động cơ thực nghiệm 109

4.2.1.2 Bộ phối trộn nhiên liệu 110

4.2.1.3 Bộ tiêu công suất (Dynometter) 113

4.2.2 Sơ đồ bố trí thiết bị thực nghiệm 116

4.3 Xây dựng chế độ và qui trình thực nghiệm 117

4.3.1 Chế độ thực nghiệm 117

4.3.2 Quy trình thực nghiệm 118

4.4 Kết quả thực nghiệm trên động cơ Cummins NTA855 và đánh giá 119

4.4.1 Kết quả thực nghiệm 119

4.4.1.1 Kết quả ghi nhận trong thời gian khoảng 10.000 chu kỳ làm việc của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B10 so với DO 120

4.4.1.2 Kết quả ghi nhận trong thời gian khoảng 20.000 chu kỳ làm việc của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B10 so với DO 121

4.4.2 Đánh giá kết quả thực nghiệm 123

4.5 Kết luận chương 4 124

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 124

Kết luận: 125

Hướng phát triển: 125

vi

DANH MỤC CÒNG TRÐNH ĐÃ CÒNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 126

TÀI LIỆU THAM KHẢO 127

TIẾNG VIỆT 127

TIẾNG ANH 128

WEBSITE 131 PHỤ LỤC

: Hệ số giãn dòng của vòi phun,

: Vận tốc trung bình của piston,

: Nhiệt dung riêng đẳng áp,

: Nhiệt dung riêng đẳng tích,

: Chiều dài phân rã tia phun,

: Chiều dài lỗ phun,

: Khối lượng hạt nhiên liệu,

: Lượng nhiên liệu cấp chu trình,

: Tốc độ phun lưu lượng nhiên liệu,

: Số Avogadro,

: Số hạt rắn,

mm2

- m/s kJ/kg K kJ/kg K

- kJ/kg g/cm2s Pa g/cm2s Pa kg/m3s g/cm2s 1/Pa

m

mm

g g/ct g/h mol-1 1/cm3

: Áp suất phun nhiên liệu,

: Áp suất hóa hơi trong lỗ phun,

: Nhiệt trị thấp của nhiên liệu,

: Hằng số khí lý tưởng,

: Số Reynolds pha khí,

: Số Reynolds pha lỏng,

: Bán kính hạt nhiên liệu,

: Tham số phương trình cháy,

: Bán kính tới hạn hạt nhiên liệu,

: Bán kính cong đầu vào lỗ phun,

: Nhiệt độ khối khí trong xi lanh,

: Nhiệt độ hạt nhiên liệu,

: Thời gian phân rã hạt nhiên liệu,

: Thời gian cháy,

: Vận tốc hạt nhiên liệu theo các phương,

: Các thành phần vận tốc mạch động,

: Vận tốc của dòng khí,

: Vận tốc ban đầu của tia phun nhiên liệu,

: Vận tốc tương đối của hạt nhiên liệu và khí bao quanh

: Thời gian phun nhiên liệu,

: Động năng tiêu tán rối,

: Vùng không gian chiếm chỗ của các hạt nhiên liệu,

: Biodiesel : Biodiesel từ dầu jatropha (Biodiesel Jatropha) : Nhiên liệu biodiesel từ dầu dừa (Biodiesel Fuel Coconut) : Nhiên liệu biodiesel từ dầu ăn phế thải (Biodiesel Fuel Wasking) : Suất tiêu hao nhiên liệu có ích (Brake Specific Fuel Consumption ) : Góc quay trục khuỷu (Crank Angle)

: Động lực học lưu chất (Computational Fluid Dynamics) : Thể tích kiểm soát (Control Volume)

: Đồng bằng sông mê kông : Động cơ đốt trong

: Đường thủy nội địa : Duyên hải Nam trung bộ : Nhiên liệu Diesel

: Phun nhiên liệu trực tiếp (Direct Injection) : Châu Âu (Euro)

: Phương pháp sai phân hữu hạn (Finite Difference Method) : Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method) : Phương pháp thể tích hữa hạn (Finite Volume Method ) : Góc quay trục khuỷu

: Hệ thống phun nhiên liệu : Sức ngựa (Horse Power) : Cơ quan năng lượng quốc tế (International Energy Agency) : Nhiên liệu sinh học

: Nghiên cứu sinh : Bồ hóng (Particulates Matter) : Dầu cần sa (Rick Simpson Oil)

: Dầu ăn phế thải (Wask Cooking Oil)

xii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của biodiesel B100 theo ASTM D6751 12

Bảng 1.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của biodiesel B100 theo EN 14214 13

Bảng 1.3 Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của biodiesel B100 theo TCVN 7717 19

Bảng 1.4 Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của biodiesel B100 20

Bảng 1.5 Tổng hợp loại động cơ phổ biến theo vùng khảo sát 25

Bảng 1.6 Loại động cơ được sử dụng phổ biến 25

Bảng 1.7 Thông số kỹ thuật của một số động cơ diesel máy chính tàu cá 26

Bảng 2.1 So sánh chỉ tiêu kỹ thuật nhiên liệu biodiesl B100 dùng trong nghiên cứu với B100 theo tiêu chuẩn 38

Bảng 2.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật của dầu mỡ cá B100 39

Bảng 2.3 Các chỉ tiêu kỹ thuật nhiên liệu DO dùng trong nghiên cứu 40

Bảng 2.4 Kết quả phân tích dầu B5 (5% B100 + 95% dầu DO) 41

Bảng 2.5 Kết quả phân tích dầu B10 (10% B100 + 90% dầu DO) 41

Bảng 2.6 So sánh chỉ tiêu nhiên liệu B10 và DO 42

Bảng 2.7 Kết quả tính toán lý thuyết các thông số cơ bản của chùm tia nhiên liệu đối với nhiên liệu DO và B10 54

Bảng 2.8 Các hệ số mô hình Shell 61

Bảng 2.9 Các bước hình thành bồ hóng và tốc độ phản ứng 66

Bảng 2.10 Các mô hình toán sử dụng trong chương 3 phục vụ mô phỏng 68

Bảng 3.1 Nội dung các pha tính toán 74

Bảng 3.2 Đặc tính động cơ Cummins NTA855 sử dụng nhiên liệu DO 79

Bảng 3.3 Thông số đầu vào của nhiên liệu mô phỏng 79

Bảng 3.4 Hệ số hiệu chỉnh mô hình mô phỏng 80

Bảng 3.5 Mức độ giảm áp suất cháy của nhiên liệu B10 so với DO 85

Bảng 3.6 Công suất khi động cơ sử dụng nhiên liệu DO và B10 86

Bảng 3.7 Suất tiêu hao nhiên liệu riêng khi động cơ sử dụng nhiên liệu 86

Bảng 3.8 Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu riêng khi động cơ sử dụng nhiên liệu DO so với catalogue 87

Bảng 3.9 Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu khi động cơ sử dụng nhiên liệu B10 so với catalogue 88

Bảng 3.10 Mức độ giảm nhiệt độ cháy của nhiên liệu B10 so với DO 92

Bảng 3.11 Mức độ giảm NOx của nhiên liệu B10 so với DO 95

Bảng 3.12 Mức độ giảm bồ hóng của nhiên liệu B10 so với DO 99

Bảng 4.1 Đánh giá sự thay đổi chỉ tiêu công tác của động cơ khi sử dụng 123

xiii

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Sơ đồ ester hóa 9

Hình 1.2 Quy trình cơ bản sản xuất dầu biodiesel từ mỡ cá 9

Hình 1.3 Quy trình sản xuất gián đoạn biodiesel dùng xúc tác kiềm 10

Hình 1.4 Quá trình chuyển hóa biodiesel 11

Hình 1.5 Biểu đồ tỷ lệ loại động cơ có dải công suất lớn hơn 300 CV 26

Hình 1.6 Động cơ Cummins NTA855 27

Hình 1.7 Sơ đồ khối quá trình nghiên cứu 29

Hình 2.1 Biến thiên áp suất cháy p, tốc độ phun nhiên liệu mf, tốc độ tỏa nhiệt Qn 30

Hình 2.2 Sự phân rã của một tia phun nhiên liệu hình nón 44

Hình 2.3 Sự phát triển của tia phun trong quá trình phun 45

Hình 2.4 Phân bố các chất lỏng (màu đen) và hơi (màu xám) của tia phun 46

Hình 2.5 Tóm tắt cơ chế phân rã của tia nhiên liệu 49

Hình 2.6 Xâm thực và không xâm thực của dòng chảy trong lỗ vòi phun 50

Hình 2.7 Sự phát triển tia phun theo thời gian (Busch R., 2001) 52

Hình 2.8 Sơ đồ minh hoạ va chạm vách của tia phun hình nón 53

Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc chương trình mã nguồn mở CFD KIVA-3V 72

Hình 3.2 Lưu đồ tính toán các pha trong mô phỏng 73

Hình 3.3 Bản vẽ piston và tọa độ buồng cháy động cơ Cummins NTA855 78

Hình 3.4 Lưới mô phỏng buồng cháy động cơ Cummins NTA855 78

Hình 3.5 Đặc tính động cơ Cummins NTA855 79

Hình 3.6 So sánh đường cong áp suất trong xi lanh khi chưa có cháy 80

Hình 3.7 Mô phỏng quá trình phun nhiên liệu của động cơ Cummins NTA855 81

Hình 3.8 Cấu trúc tia phun nhiên liệu B10 so với DO 82

Hình 3.9 Sự phát triển tia phun của nhiên liệu theo thời gian 82

Hình 3.10 Biến thiên áp suất cháy trong xi lanh của các mẫu nhiên liệu ở 1200 v/p 84

Hình 3.11 Biến thiên áp suất cháy trong xi lanh của các mẫu nhiên liệu ở 1400 v/p 84

Hình 3.12 Biến thiên áp suất cháy trong xi lanh của các mẫu nhiên liệu ở 1600 v/p 84

Hình 3.13 Biến thiên áp suất cháy trong xi lanh của các mẫu nhiên liệu ở 1800 v/p 85

Hình 3.14 Đặc tính công suất của động cơ sử dụng nhiên liệu B10 so với DO 86

Hình 3.15 Đặc tính suất tiêu hao nhiên liệu riêng của động cơ 86

Hình 3.16 Công suất của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B10 và DO 87

Hình 3.17 Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B10 và DO 88

Hình 3.18 Công suất của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B10 và DO 89

Hình 3.19 Tốc độ tỏa nhiệt của các mẫu nhiên liệu 90

xiv

Hình 3.20 Biến thiên nhiệt độ cháy của nhiên liệu B10 so với DO 91

Hình 3.21 Biến thiên nhiệt độ với áp suất cháy của nhiên liệu B10 91

Hình 3.22 Biến thiên nhiệt độ cháy trong xi lanh của các mẫu nhiên liệu ở 1400 v/p 92

Hình 3.23 Biến thiên nhiệt độ cháy trong xi lanh của các mẫu nhiên liệu ở 1600 v/p 93

Hình 3.24 Biến thiên nhiệt độ cháy trong xi lanh của các mẫu nhiên liệu ở 1800 v/p 93

Hình 3.25 Phân bố nhiệt độ của các mẫu nhiên liệu trong buồng cháy 94

Hình 3.26 Hình thành NOx của nhiên liệu B10 so với DO 95

Hình 3.27 Phân bố NOx trên mặt quan sát của nhiên liệu B10 so với DO 95

Hình 3.28 Phát thải NOx của các mẫu nhiên liệu ở 1400 v/p 96

Hình 3.29 Phát thải NOx của các mẫu nhiên liệu ở 1600 v/p 96

Hình 3.30 Phát thải NOx của các mẫu nhiên liệu ở 1800 v/p 97

Hình 3.31 Hình thành bồ hóng của nhiên liệu B10 so với DO 98

Hình 3.32 Phân bố bồ hóngtrên mặt quan sát của nhiên liệu B10 so với DO 98

Hình 3.33 Phát thải NOx và bồ hóng của nhiên liệu B10 so với DO ở 1200 v/p 99

Hình 3.34 Quy luật phát thải bồ hóng và NOx của nhiên liệu B10theo tốc độ 100

Hình 3.35 Phát thải bồ hóng của các mẫu nhiên liệu ở 1400 v/p 101

Hình 3.36 Phát thải bồ hóng của các mẫu nhiên liệu ở 1600 v/p 101

Hình 3.37 Phát thải bồ hóng của các mẫu nhiên liệu ở 1800 v/p 102

Hình 4.1 Bộ hòa trộn nhiên liệu trên đường ống 104

Hình 4.2 Bộ hòa trộn nhiên liệu trong đường ống 105

Hình 4.3 Phương pháp hòa trộn In-Line cho động cơ Cummins TNA855 109

Hình 4.4 Động cơ Cummins NTA855 lắp trên bệ thử 110

Hình 4.5 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu DO và biodiesel song song sử dụng van 3 ngả 111 Hình 4.6 Bộ hòa trộn nhiên liệu bằng bơm bánh răng 112

Hình 4.7 Hệ thống hòa trộn và cấp dầu cho động cơ Cummins NTA855 113

Hình 4.8 Phanh thủy lực Dynomide 114

Hình 4.9 Giao diện đo dữ liệu của bộ đo Dyno max 2010 115

Hình 4.10 Sơ đồ bố trí thực nghiệm 116

Hình 4.11 Một số hình ảnh thử nghiệm động cơ Cummins NTA855 120

Hình 4.12 Kết quả thử nghiệm nhiên liệu B10 so với DO ghi nhận trong thời gian khoảng 10.000 chu kỳ làm việc của động cơ 121

Hình 4.13 Kết quả thử nghiệm nhiên liệu B10 so với DO ghi nhận trong thời gian khoảng 20.000 chu kỳ làm việc của động cơ 122

xv

TÓM TẮT NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN

Đề tài luận án: “Nghiên cứu sử dụng dầu Diesel sinh học từ mỡ cá da trơn cho

động cơ của phương tiện khai thác thủy sản”

Trường Đại học Nha Trang

1) Đã xác định được một số thuộc tính của nhiên liệu B5, B10, B100 (biodiesel có nguồn gốc từ mỡ cá da trơn) dùng cho quá trình nghiên cứu

2) Luận án đã sử dụng phần mềm KIVA-3V để xây dựng và hiệu chỉnh mô hình

mô phỏng động cơ Cummins NTA 855, dùng để khảo sát ảnh hưởng của loại nhiên liệu sử dụng đến một số thông số nhiệt động trong buồng cháy, mức phát thải NOx, PM và một số thông số công tác của động cơ khi sử dụng B10

3) Đã đánh giá được ảnh hưởng của B10 đến một số thông số vận hành cơ bản của động cơ Cummins NTA 855 bằng thực nghiệm và đề xuất công nghệ phối trộn nhiên liệu phù hợp cho máy chính tàu đánh cá

1) Defined some properties of B5, B10, B100 fuel (catfish fat biodiesel) used to research

2) The thesis used KIVA-3V software to build and adjust the Cummins NTA 855 engine simulation model, which used to investigate the effect of fuel on some thermodynamic parameters in combustion chamber, NOx, PM emissions and some cycle parameters of engine when using B10 fuel

3) Estimate the influence of B10 fuel on some basic operating parameters of Cummins NTA 855 engine by experiment and promote a suitable fuel mixing technology for diesel engines of fishing ship

PhD Cadidate

Ho Trung Phuoc

cơ trong các ngành công nghiệp và giao thông

Nhiên liệu sinh học (biofuels), là loại nhiên liệu được sản xuất từ các hợp chất có nguồn gốc động thực vật Như nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa, dầu cây hướng dương, dầu cây cọ dầu, dầu cây Jatropha ), ngũ cốc (lúa mì, ngô, lạc, đậu tương ), chất thải trong nông nghiệp (rơm, cây bắp ), sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải )

So với nhiên liệu truyền thống dầu mỏ như khí đốt, than đá, NLSH có nhiều ưu điểm nổi bật:

- Thân thiện với môi trường: Do có nguồn gốc từ động thực vật nên hàm lượng khí gây ô nhiễm và hiệu ứng nhà kính trong khí thải của động cơ ít;

- Nguồn nhiên liệu có khả năng tái sinh từ các hoạt động sản xuất nông nghiệp, nên giảm sự lệ thuộc vào nguồn tài nguyên nhiên liệu không tái sinh truyền thống Hiện nay có thể chia công nghệ sử dụng mỡ động vật và dầu thực vật làm nhiên liệu (với tỷ lệ thích hợp) cho động cơ diesel thành hai hướng chính:

(1) Xử lý về mặt hoá học để mỡ động vật và dầu thực vật có được những tính chất

tương đương với diesel dầu mỏ (DO) Dầu qua xử lý như vậy gọi là biodiesel

(2) Xử lý về mặt cơ - lý để dầu thực vật đạt được một số yêu cầu cơ bản của nhiên liệu

DO

Trong phạm vi luận án này, NCS nghiên cứu theo hướng (1)

Với lợi thế về điều kiện tự nhiên cho việc phát triển thủy hải sản tại Việt Nam, việc tận dụng nguồn nguyên liệu từ dầu mỡ cá để sản xuất Biodiesel là rất phong phú Qua thực tế khảo sát ở khu vực đồng bằng sông Mê Kông (ĐBSMK), nghề nuôi trồng, chế biến và xuất khẩu cá da trơn đang đạt được các kết quả đáng khích lệ, theo số liệu của Hiệp hội chế biến và xuất khẩu thủy sản Việt Nam, sản xuất và xuất khẩu cá da trơn năm 2011 có sản lượng cá thu hoạch gần 1,2 triệu tấn, kim ngạch xuất khẩu đạt

2

hơn 1,8 tỷ USD, năm 2012 sản lượng cá thu hoạch gần 1,2 triệu tấn, kim ngạch xuất khẩu đạt hơn 1,744 tỷ USD [47] Theo số liệu của một số nhà sản xuất cá da trơn xuất khẩu lượng mỡ thu được từ quá trình chế biến cá chiếm khoảng 12%, tính cho năm

2011 và 2012 lượng mỡ cá thu được bình quân khoảng 150.000 tấn/năm Dầu biodiesel B100 có nguồn gốc từ mỡ cá da trơn ở khu vực ĐBSMK đã được một số doanh nghiệp Việt Nam như: Minh Tú, Agrifish An Giang, Công ty Tây Nam v.v nghiên cứu sản xuất thành công đạt các tiêu chuẩn TCVN 7717, ASTM D 6751 của Hoa Kỳ và EN 14214 của EU, được xuất khẩu sang các thị trường như Singapore, Nhật Bản [7], [45]

Bên cạnh các thành tựu khoa học và việc ứng dụng biodiesel như là một nguồn nhiên liệu thay thế trong tương lai, Nhà nước đã ban hành hàng loạt các văn bản pháp

lý nhằm mục đích chỉ đạo và định hướng phát triển nhiên liệu biodiesel vào các mục tiêu ứng phó với biến đổi khí hậu và là nguồn nhiên liệu thay thế nhiên liệu truyền thống

Theo số liệu của Cục Khai thác và Bảo vệ Nguồn lợi Thủy sản (Tổng cục Thủy sản, Bộ NN&PTNT), tính đến năm 2014, cả nước có khoảng 120.000 tàu cá, trong đó

số tàu tại khu vực Duyên hải Nam trung bộ (DHNTB) chiếm tỷ lệ đáng kể Như vậy,

nếu dùng nhiên liệu biodiesel sản xuất từ mỡ cá da trơn cho các phương tiện khai thác

thủy sản (được hiểu là tàu đánh cá) sẽ tiết kiệm được một lượng ngoại tệ lớn cho quốc

gia và hạn chế ô nhiễm môi trường Vì thế, song song với việc khảo sát đánh giá chất

lượng biodiesel trên thị trường, “Nghiên cứu sử dụng dầu Diesel sinh học từ mỡ cá

da trơn cho động cơ của phương tiện khai thác thủy sản” là rất cấp thiết trong bối

cảnh hiện nay

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu hỗn hợp biodiesel và DO từ mỡ cá da trơn đến các thông số công tác chủ yếu của động cơ diesel tàu cá, từ đó chỉ ra khả năng sử dụng loại nhiên liệu này và thiết kế hệ thống nhiên liệu chuyển đổi phù hợp

3

(3) Đề xuất công nghệ chuyển đổi hệ thống nhiên liệu và các khuyến cáo cần thiết khi sử dụng nhiên liệu biodiesel cho động cơ diesel tàu cá

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Nhiên liệu diesel sinh học có nguồn gốc từ mỡ cá da trơn và các chỉ tiêu công tác

chủ yếu của động cơ diesel dùng làm máy chính tàu cá

4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

(1) Tổng luận và nghiên cứu cơ sở lý thuyết sử dụng nhiên liệu B10 từ mỡ cá da trơn làm nhiên liệu cho động cơ diesel;

(2) Lựa chọn mô hình toán và mô phỏng ảnh hưởng của nhiên liệu nhiên liệu B10 đến các thông số công tác chủ yếu của động cơ diesel tàu cá;

(3) Đánh giá các thông số công tác chủ yếu của động cơ diesel tàu cá khi sử dụng nhiên liệu B10 làm cơ sở để kết luận khả năng ứng dụng loại nhiên liệu này

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN

5.1 Ý nghĩa khoa học

(1) Phân tích lý thuyết và mô tả toán học về ảnh hưởng của việc sử dụng nhiên liệu biodiesel đến các thông số công tác chủ yếu của động cơ diesel, làm cơ sở cho nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm;

(2) Lựa chọn mô hình và các điều kiện mô phỏng (điều kiện ban đầu, điều kiện biên) khi sử dụng nhiên liệu biodiesel; Xác định yếu tố điều chỉnh chính của nhiên liệu

hỗn hợp cho quá trình mô phỏng thông qua tính chất nhiên liệu là: Nhiệt trị, độ nhớt và

khối lượng riêng Mô hình mô phỏng được kiểm nghiệm và điều chỉnh dựa trên đặc

tính gốc của động cơ nghiên cứu;

(3) Dẫn liệu khoa học về kết quả chạy thử nghiệm nhiên liệu B10 trên động cơ diesel tàu cá đặc trưng Những kết quả này là cơ sở khoa học trong việc nghiên cứu nhiên liệu sinh học dùng cho động cơ diesel

4

5.2 Tính thực tiễn của luận án

(1) Đề xuất giải pháp sử dụng nhiên liệu B10 cho động cơ diesel;

(2) Phát triển công nghệ chuyển đổi hệ thống nhiên liệu động cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu B10, góp phần khai thác nhiên liệu sinh học sẵn có cho động cơ diesel tàu cá, thay thế một phần nguồn nhiên liệu truyền thống;

(3) Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở cho việc hoàn thiện sổ tay hướng dẫn

sử dung dầu biodiesel đúng kỹ thuật, tránh các hư hỏng về máy móc động cơ, tiết kiệm

về mặt năng lượng và thực hiện tốt các chương trình mục tiêu quốc gia về ứng phó với biến đổi khí hậu

6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

6.1 Nghiên cứu lý thuyết

(1) Nghiên cứu tài liệu về những lý thuyết hiện đại đã và đang được phát triển

trên thế giới về các quá trình phun nhiên liệu, hình thành hỗn hợp và cháy trong động

cơ diesel khi sử dụng nhiên liệu biodiesel;

(2) Phân tích lựa chọn mô hình toán hợp lý, ứng dụng để nghiên cứu sự thay đổi

các thông số công tác của động cơ diesel khi sử dụng nhiên liệu B10;

(3) Mô phỏng bằng phần mềm chuyên dụng để xác định ảnh hưởng của nhiên

liệu B10 đến các thông số công tác chủ yếu của động cơ diesel tàu cá

6.2 Nghiên cứu thực nghiệm

(1) Xác định các thông số nhiệt động của nhiên liệu B10 từ mỡ cá;

(2) Khảo sát thông số công tác chủ yếu của động cơ diesel tàu cá khi sử dụng

nhiên liệu B10 trên bệ thử so với khi động cơ sử dụng nhiên liệu DO

7 KẾT CẤU LUẬN ÁN

Luận án có kết cấu gồm 4 chương và phần kết luận, kiến nghị:

Chương 1 Tổng quan về sử dụng nhiên liệu biodiesel và lựa chọn động cơ nghiên cứu

Chương 2 Cơ sở lý thuyết và mô hình toán mô tả ảnh hưởng của nhiên liệu biodiesel đến các thông số công tác chủ yếu của động cơ diesel

Chương 3 Đánh giá các thông số công tác của động cơ diesel khi sử dụng nhiên liệu B10 bằng mô phỏng số

Chương 4 Nghiên cứu thực nghiệm sử dụng nhiên liệu biodiesel từ mỡ cá da trơn cho động cơ Cummins NTA855 của tàu cá

Kết luận và kiến nghị

5

8 NHỮNG HẠN CHẾ CỦA LUẬN ÁN

Luận án chƣa nghiên cứu đến quy luật cung cấp nhiên liệu, thực nghiệm đo phát thải

NOx, bồ hóng và tình trạng kỹ thuật theo thời gian dài sử dụng của động cơ khi dùng nhiên liệu B10 có nguồn gốc từ mỡ cá da trơn

6

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIODIESEL

VÀ LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về nhiên liệu sinh học và biodiesel

Nhiên liệu sinh học có nguồn gốc từ dầu thực vật và mỡ động vật, có tiềm năng rất lớn khi làm nhiên liệu thay thế nhiên liệu truyền thống Ngoài chức năng như một phụ gia tăng cường ô xy cho quá trình cháy, giảm phát thải độc hại trong khí xả động

cơ như SOx, HC, CO, bồ hóng (Soot), NLSH còn là một nguồn nhiên liệu có thể tái sinh Bên cạnh đó, một đặc tính thuận lợi của NLSH là dễ pha trộn với nhiên liệu truyền thống mà không yêu cầu cao về thiết bị cũng như năng lực sử dụng

Nhiên liệu sinh học có nhiều loại như xăng sinh học (biogasoline), diesel sinh học (biodiesel), và khí sinh học (biogas) - loại khí được tạo thành do sự phân hủy yếm khí các chất thải nông nghiệp, chăn nuôi và lâm nghiệp Trong các dạng trên thì chỉ có biogasoline và biodiesel được quan tâm nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng trong quy

mô công nghiệp

Biodiesel là một loại nhiên liệu có tính chất tương đương với nhiên liệu DO nhưng được sản xuất từ dầu thực vật, mỡ động vật hoặc dầu ăn phế thải, trong đó các nguồn nguyên liệu chính để sản xuất được tập trung chủ yếu vào dầu thực vật của những cây có hàm lượng dầu khá lớn như dầu đậu nành (Soybean Oil), dầu cải (Rapeseed Oil) ở Châu Âu; dầu hướng dương (Sunflower Oil) ở Mỹ; dầu dừa (Coconut Oil), dầu cọ (Palm Oil), dầu Jatropha ở Châu Á [1], [2] Còn đối với mỡ động vật và dầu ăn phế thải có phần hạn chế bởi các sản phẩm này có sản lượng ít hơn

và quá trình tổng hợp nguyên liệu phức tạp hơn so với dầu thực vật Tuy nhiên, có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến việc sản xuất và ứng dụng NLSH, trong đó có biodiesel dùng làm nhiên liệu cho động cơ dieseel như: Địa lý của từng quốc gia - khu vực; khí hậu; nguyên liệu phục vụ nhu cầu thực phẩm cho con người mà Biodiesel được phát triển với những nguyên liệu khác nhau

Trước những thách thức về vấn đề bảo vệ môi trường và nguồn nhiên liệu dầu

mỏ ngày càng cạn kiệt thì việc sản xuất và ứng dụng biodiesel là cấp bách Theo dự kiến của cơ quan năng lượng quốc tế IEA (International Energy Agency - IEA), xu hướng phát triển năng lượng trên thế giới đến năm 2050 sẽ sử dụng 23% lượng dầu

DO, 27% lượng NLSH, còn lại là các loại nhiên liệu khác trong tổng lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ đốt trong (ĐCĐT) [23]

7

Tại Việt Nam, với lợi thế hơn 3.260 km bờ biển và vùng đồng bằng sông nước Cửu Long (ĐBSMK) là ưu thế vượt trội về sản phẩm dư thừa từ mỡ cá ba sa, mỡ cá tra… gọi chung là mỡ cá da trơn so với một số quốc gia trên thế giới Đây là nguồn nguyên liệu sản xuất Biodiesel trong nước phong phú và tái tạo, tạo được nhiều lĩnh vực hữu ích khác kèm theo ngay khi đi vào sản xuất, góp phần tích cực vào sự phát triển kinh tế xã hội [48]

Biodiesel là loại năng lượng tái tạo, về phương diện hoá học thì biodiesel là Methyl ester (hay Ethyl ester) của những axit béo trong dầu hay mỡ động thực vật khi được ester hoá bởi các Ancol methanol hoặc Ethanol, trong đó Methanol được sử dụng

phổ biến nhất

Phản ứng tổng hợp Methyl ester là dùng các chất Methanol và xúc tác bazơ, quá trình trao đổi ester còn gọi là quá trình rượu hóa, có nghĩa là từ một phân tử triglyxerit trao đổi ester với 3 phân tử rượu mạch thẳng, tách ra Glycerin và tạo ra các Ankyl ester theo phản ứng [15], [42]:

R COOCH

Xú

c t ác



CH - OH R COOR

(1.1)

Dầu, mỡ động thực vật Rượu mạch thẳng Glyxerin Biodiesel

Thực chất quá trình chuyển hóa này gồm một loạt các phản ứng thuận nghịch nối tiếp nhau Tức là triglyxerit chuyển hóa từng bước thành diglyxerit, rồi từ diglyxerit chuyển hóa tiếp thành Monoglixerit và cuối cùng là Glycerin:

1 2 3

trung gian:

Xúc tác B lại tiếp tục phản ứng với các diglyxerit và monoglyxerit giống như cơ

chế trên, cuối cùng tạo ra các Alkyl este và Glyxerin

Quá trình sản xuất diesel sinh học bắt đầu từ dầu thực vật, mỡ động vật hoặc các chất béo đã qua sử dụng Các cấu trúc phân tử phân nhánh lớn của dầu (mỡ) được chuyển sang các cấu trúc phân tử mạch thẳng ngắn hơn gọi là các ester Methyl - hoặc Ethyl giống như các thành phần của dầu diesel truyền thống Sơ đồ phương pháp ester hoá trình bày trên hình 1.1 Trong đó, Glycerine được tách ra khỏi ester và sử dụng trong các ngành công nghiệp khác [44]

9

Hình 1.1 Sơ đồ ester hóa

Biodiesel có tiềm năng lớn để làm nhiên liệu tái tạo trong các động cơ diesel Có được điều này chủ yếu là do các đặc tính thuận lợi của Biodiesel về khả năng pha trộn với nhiên liệu DO thông thường và chỉ cần điều chỉnh nhỏ hệ thống nhiên liệu

Trên cơ sở các quá trình chuyển hóa biodiesel, quy trình sản xuất biodiesel từ mỡ

cá được xây dựng như sau (hình 1.2):

Hình 1.2 Quy trình cơ bản sản xuất dầu biodiesel từ mỡ cá

10

Phụ thuộc vào phản ứng chuyển vị ester, thời gian phản ứng và tách lớp có thể phân chia công nghệ sản xuất dầu Biodiesel thành hai loại qui trình sản xuất bao gồm: Quy trình sản xuất gián đoạn (theo chu kỳ) và quy trình liên tục Trong phạm vị đề tài,

NCS tóm lược các quy trình công nghệ sản xuất biodiesel gián đoạn như sau:

Quy trình sản xuất gián đoạn: Với lượng nguyên liệu đầu vào cao, phản ứng xảy

ra chậm, để đạt hiệu suất phản ứng 100% cần thời gian tương đối dài, năng suất toàn

bộ quá trình sẽ giảm Quy trình chỉ thích hợp cho sản xuất ở quy mô nhỏ (khoảng 500 tấn/ năm -10.000 tấn/năm) như trên hình 1.3

Hình 1.3 Quy trình sản xuất gián đoạn biodiesel dùng xúc tác kiềm

1: Thiết bị gia nhiệt mỡ cá sơ bộ; 2: Thiết bị khuấy trộn Methanol và xúc tác; 3: Thiết bị khuấy trộn sơ bộ; 4: Bơm nhập liệu vào thiết bị phản ứng;

5: Thiết bị ngưng tụ hoàn lưu Methanol; 6: Thiết bị phản ứng chính;

7: Thiết bị lắng tách; 8: Thiết bị tách Methanol ra khỏi Glycerine;

9: Thiết bị ngưng tụ thu hồi Methanol; 10: Thiết bị tách nước

Ưu, nhược điểm của công nghệ gián đoạn:

- Công nghệ đơn giản, chí phí thấp, có thể sử dụng nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau;

11

- Không thu hồi được xúc tác;

- Việc phân tách và tinh chế sản phẩm chính (biodiesel) và phụ (glycerin) gặp nhiều khó khăn, do các sản phẩm bị nhiễm xúc tác, muối, dẫn đến chất lượng sản phẩm không tốt;

- Ngoài ra, để sản xuất dạng mẻ khi triển khai ở quy mô lớn sẽ gặp nhiều khó khăn, đặc biệt ở hiệu suất sử dụng thiết bị

Như vậy, từ các phân tích trên có thể phân chia quá trình chuyển hóa biodiesel

thành các công đoạn sau (hình 1.4):

Hình 1.4 Quá trình chuyển hóa biodiesel

Hiện nay trên thế giới, hàng loạt các quốc gia phát triển đang thử nghiệm thành công và ứng dụng dầu biodiesel thay thế một phần cho nguồn năng lượng hóa thạch Các quốc gia như Mỹ, Hà Lan và một số nước thuộc EU đã triển khai sử dụng nhiên liệu B5, B10 thậm chí đến B20 cho tất cả các loại động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống là dầu DO Qua thông tin NCS tìm hiểu tại Mỹ, quốc gia đi đầu trong việc bảo

Wartsilar cũng đã ghi rõ khả năng sử dụng biodiesel trên sản phẩm [18], [26]

Tại các quốc gia đang triển khai sử dụng biodiesel như Mỹ và châu Âu đều có các tiêu chuẩn định giá chất lượng của dầu biodiesel B100 trước khi đưa ra thị trường Hoa Kỳ đã xây dựng và áp dụng bộ tiêu chuẩn ASTM D6751 và Châu Âu sử dụng bộ tiêu chuẩn EN 14214 (bảng 1.1)

Sự tiêu chuẩn hoá các yêu cầu về chất lượng nhiên liệu được coi là một bước quan trọng để phát triển ứng dụng iodiesel Đạo luật về chất lượng biodiesel ở Châu

Âu (2003/17/EC) chấp nhận tỷ lệ pha trộn đến 5% cho tất cả các loại động cơ ô tô và

các nhà chế tạo hệ thống phun nhiên liệu[18]

Bảng 1.1 Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của biodiesel B100 theo ASTM D6751 [18]

Điểm vẩn đục, 0

Nhiệt độ cất, 90% thu hồi, o

10 ppm

13

Theo quy định của chính phủ Hoa Kỳ, tất cả các dầu biodiesel được đưa ra lưu hành trên thị trường phải đảm bảo các tiêu chuẩn ASTM D6751 đối với nhiên liệu B100 Bộ tiêu chuẩn này bao gồm 20 chỉ tiêu thành phần để đánh giá chất lượng nhiên liệu B100 Các chỉ tiêu này đều được giới hạn thông số theo các phép phân tích chuẩn của ASTM, là viết tắt của cụm từ “American Society for Testing and Materials”, Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Hoa Kỳ, là tổ chức tiêu chuẩn quốc tế phát triển và đưa ra các tiêu chuẩn kỹ thuật cho các hệ thống, sản phẩm, dịch vụ và nguyên vật liệu Tại một số quốc gia trong liên minh châu Âu, cũng đã ban hành và áp dụng tương tự như tại Hoa Kỳ bộ tiêu chuẩn kiểm soát chất lượng của nhiên liệu B100, EN 14214 như

trình bày trong bảng 1.2

Bảng 1.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của biodiesel B100 theo EN 14214 [18]

14

Tại Việt Nam, việc xây dựng tiêu chuẩn và quy chuẩn cho nhiên liệu diesel sinh học được tham khảo theo các tiêu chuẩn trên thế giới như tiêu chuẩn ASTM của Mỹ, tiêu chuẩn EN của Châu Âu

1.2 Tình hình nghiên cứu sử dụng biodiesel trên Thế giới và tại Việt Nam

1.2.1 Trên Thế giới

Trên cơ sở các tiêu chuẩn về nhiên liệu biodiesel ban hành, đã có rất nhiều các công trình trên thế giới nghiên cứu nhằm mục tiêu giảm thiểu ô nhiễm môi trường và hạn chế sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu truyền thống không tái sinh:

Ekrem Buyukkaya [17], nghiên cứu thử nghiệm để đánh giá hiệu suất, khí thải và quá trình cháy của động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp (DI) khi sử dụng biodiesel với các tỷ lệ khác nhau (B5, B20, B75) có nguồn gốc từ dầu hạt cải Kết quả nghiên cứu cho thấy độ mờ khói (Opacity) giảm 60%, suất tiêu hao nhiên liệu (BSFC) tăng 11%, lượng khí thải CO giảm 9% với B5 và 32% với B100 so với nhiên liệu DO truyền thống Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra thời điểm bắt đầu cháy của nhiên liệu biodiesel so với DO ở các tỷ lệ: B5; B20; B70; B100 là 7,750; 7,250; 6,500; 5,750 và

độ và áp suất cháy, tốc độ tỏa nhiệt cũng đã được xem sét ở nhiều tỷ lệ khác nhau

M Canakci, j H Van gerpen [36], đã tổ chức thực nghiệm đánh giá sự khác biệt của biodiesel từ dầu đậu nành có tỷ lệ pha trộn khác nhau với DO trên động cơ diesel tăng áp, 4 xi lanh Tác giả nhận thấy, khi sử dụng biodiesel, thời gian cháy trễ giảm dẫn đến thay đổi các thông số công tác chủ yếu của động cơ so với khi sử dụng DO S.Sinha and A.K.Agarwal [40], đã nghiên cứu đặc tính cháy của động cơ diesel 4

kỳ, 4 xi lanh, không tăng áp cho DO và biodiesel có nguồn gốc từ cám gạo với các tỷ

lệ 10%, 20% và 100% Thực nghiệm ở chế độ 50% tải tại 1400 (v/p) Kết quả cho thấy, áp suất cực đại và tốc độ tỏa nhiệt lớn nhất là DO, sau đó thấp dần khi tỷ lệ pha trộn tăng lên Trong đó, thời điểm bắt đầu cháy của DO là muộn nhất và sớm nhất là B100

15

Massling, A và cộng sự [32], nghiên cứu trên động cơ công suất nhỏ với các loại nhiên liệu khác nhau bao gồm: DO, 20% (B20), 100% (B100) có nguồn gốc từ mỡ động vật (AFME) và 20% (B20) có nguồn gốc dầu hạt cải dầu (RME) Tất cả lượng khí thải động cơ được xác định trong các chế độ làm việc khác nhau để đối chiếu với tiêu chuẩn ISO / EN 8178 Trong đó, bồ hóng giảm mạnh nhất 56% khi động cơ sử dụng B20 từ hạt cải dầu so với DO

Yuya Ozawa, Yusuke Soma [46], sử dụng Methyl ester từ dầu dừa cho động cơ diesel, kết quả cho thấy áp suất chỉ thị trung bình thấp hơn so với khi sử dụng DO Tuy nhiên, CO và bồ hóng giảm mạnh, tác giả khuyến cáo cần cải thiện thêm một số chỉ tiêu cho nhiên liệu để nâng cao áp suất cháy

Tương tự như trên, khi nghiên cứu ở tỷ lệ B20 và B40, USV Prasad (2012) [43]

đã khẳng định cần phải điều chỉnh thông số phun nhiên liệu để tạo được quá trình hình thành hỗn hợp cháy hiệu quả, vì khi nâng tỷ lệ pha trộn biodiesel vào diesel thì độ nhớt

và khối lượng riêng tăng lên ảnh hưởng đến quá trình phun

Xiangang Wang và cộng sự [45], tiến hành nghiên cứu thực nghiệm về quá trình phun để đánh giá các đặc tính cháy của Biodiesel trên động cơ cỡ nhỏ của hai loại nhiên liệu sinh học bắt nguồn từ dầu cọ (BDFP) và dầu ăn đã qua sử dụng (BDFW) ở

áp suất phun 100 - 200 Mpa Các kết quả cho thấy, áp suất phun thấp thì lượng bồ hóng phát thải cao, suất tiêu hao nhiên liệu tăng mạnh, Xiangang Wang khuyến cáo cần điều chỉnh hệ thống phun nhiên liệu

Kandasamy Muralidharan và Palanisamy Govindarajan [27], nghiên cứu ảnh hưởng của biodiessel pha trộn cùng với sự điều chỉnh thông số phun Áp suất phun dao động từ 190-230 bar, mỗi bước điều chỉnh 10 bar với thời điểm phun 230 CA BTDC Kết quả cho thấy: Áp suất phun nhiên liệu ở 220 bar, nhiên liệu B5 có lượng phát thải

CO và NOx thấp hơn diesel Phát thải hydrocarbon không cháy tương đối cao đối với các mẫu nhiên liệu được thử nghiệm trừ B5 và B10 ở các áp suất phun

Magı´n Lapuerta và cộng sự [33], nghiên sứu ảnh hưởng của Biodiesel đến phát thải động cơ ở các tỷ lệ pha trộn nhưng không quá 40% (B40) Kết quả cho thấy BSFC tăng khi sử dụng biodiesel so với mẫu không pha trộn, nghiên cứu nhận thấy việc giảm nhiệt trị (9-14%) là nguyên nhân chính

A.M Liaquat và cộng sự [11], nghiên cứu sự thay đổi hiệu suất và các đặc tính phát thải của động cơ diesel phun trực tiếp sử dụng diodiesel gốc dầu dừa pha trộn ở

16

các tỷ lệ CB5 (5% Biodiesel và 95% DO), CB15 (15% CB và 85% DO) Kiểm tra hiệu suất động cơ ở 100% tải, tốc độ biến đổi từ 1500 - 2400 v/p Kết quả cho thấy đã có sự giảm mô men xoắn, tăng tiêu thụ nhiên liệu, tuy nhiên phát thải khí xả như bồ hóng giảm so với DO Do đó, A.M Liaquat kết luận CB5 và CB15 có thể sử dụng cho động

cơ Diesel mà không cần điều chỉnh hệ thống nhiên liệu

Yonwaba Sinuka [47], thử nghiệm động cơ diesel máy phát điện sử dụng diodiesel từ dầu Jatropha và dầu ăn phế thải Kết quả thu được từ sản lượng điện cho thấy hỗn hợp nhiên liệu Jatropha (BDJ50) tạo ra nhiều năng lượng hơn (74,4kW) so với dầu phế thải (BDW50) là 72,8kW Trong khi đó ở tỷ lệ hỗn hợp BDJ30 thu được 76,6kW, BDW30 thu được 73,6kW, BDJ10 là 79kW và BDW10 đạt 78,6kW Yonwaba Sinuka nhận thấy khi tăng tỷ lệ pha trộn thì quá trình hình thành hỗn hợp và cháy kém đi là nguyên nhân giảm sản lượng điện năng

Mukesh Kumar, Onkar Singh [34], nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu biodiessel đến đặc tính động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp Khi pha trộn biodiesel gốc dầu Karanja (dầu cây sồi Ấn Độ) với tỷ lệ 10 - 50% (K10 - K50), ở tỷ lệ K50 thì hiệu suất nhiệt giảm mạnh, bồ hóng tăng theo độ tăng của tỷ lệ pha trộn Phát thải NOxgiảm khi động cơ hoạt động ở chế độ vừa tải Tác giả cũng khuyến cáo cần xác định thêm các thành phần phát thải HC, CO để đánh giá toàn diện về đặc tính quá trình cháy của loại nhiên liệu này

S.S Wirawan, A.H Tambunan [39], đánh giá đặc tính của động cơ diesel ô tô khi sử dụng biodiesel gốc dầu cọ Nồng độ biodiesel gốc dầu cọ được thử nghiệm từ B0 (mẫu Diesel không trộn), B10, B20, B30, B50 và B100 Kết quả thực nghiệm cho thấy, mô men xoắn, công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của các tỷ lệ pha trộn đều thấp hơn so với B0, các phát thải của CO, HC, PM và CO2 có xu hướng giảm mạnh ở B10 và B20 Tác giả khuyến nghị cần gia nhiệt và điều chỉnh hệ thống nhiên liệu khi

sử dụng ở các tỷ lệ B50 và B100

Gowthaman Vijayan [19], nghiên cứu chuyển hóa dầu cá làm biodiessel cho động cơ Trong nghiên cứu này tập trung vào quy trình chuyển hóa dầu và xác định thời gian, nhiệt độ phản ứng cũng như chất xú tác Kết quả nhận thấy, để có sản phẩm biodiesel đạt chuẩn cần sử dụng xúc tác Candida antarctica (Novozyme 435) và Enzyme NS88001 để chuyển hoá tinh dầu cá Bên cạnh đó, công trình cũng chỉ ra rằng

Jedidah W Maina, Ayub N Gitau [25], sử dụng dầu hạt dẻ để điều chế thành biodiesel và thử nghiệm xác định đặc tính của động cơ khi sử dụng hỗn hợp pha trộn là 80% (B80), 50% (B50), 20% (B20) và 5% (B5) Với tốc độ 1500 v/p, suất tiêu hao nhiên liệu của B5 thấp nhất và cao hơn nhiên liệu DO là 7,3%, cao nhất là B80 khi BSFC tăng so với dầu DO 20,3% , phát thải bồ hóng của B5 giảm 7,6% và của B20 giảm mạnh nhất là 24,7% Trong đó, nồng độ NO và NO2 của B100 cao hơn khoảng 15% so với DO Nghiên cứu nhận thấy, việc sử dụng Biodiesel dẫn đến giảm công suất động cơ, BSFC tăng theo độ tăng của tỷ lệ pha trộn, điều này ảnh hưởng bởi khi trộn biodiesel vào DO sẽ làm nhiên liệu hỗn hợp có mật độ và độ nhớt cao hơn

Hasan A M Ali [20], khảo sát một số phương tiên giao thông sử dụng nhiên liệu biodiessel được sản xuất từ mỡ động vật đã cho thấy áp suất cháy trong xi lanh và tốc

độ tỏa nhiệt của hỗn hợp biodiesel tương tự như của nhiên liệu DO Tuy nhiên, ở các hỗn hợp biodiesel, tốc độ tỏa nhiệt tăng nhanh hơn và đạt giá trị cực đại cao hơn so với nhiên liệu DO, điều này chủ yếu ảnh hưởng bởi thời gian cháy trễ từ một số yếu tố như: Mức độ không bão hòa của các liên kết trong biodiesel, số Cetan, độ nhớt động học, nhiệt độ kết tinh của các axit và hàm lượng ô xy có trong nhiên liệu

Jintana Nina Phanthanousy [24], nghiên cứu tạo ra các tiêu chuẩn phù hợp với khả năng sản xuất diesel sinh học từ các chất thải Trong nghiên cứu này, tác giả chủ yếu tập trung xây dựng quy trình sản xuất, thay đổi tỷ lệ chất xúc tác, nhiệt độ và thời

rõ rệt

Nghiên cứu của Łukasz Łabęcki [31] đã chỉ ra rằng, biodiesel từ hạt cải dầu (RSO) và dầu đậu nành (SO) đều có áp suất cháy thấp hơn so với DO và RSO có hàm lượng phát thải bồ hóng lớn hơn so với SO Khi điều chỉnh thời điểm phun tăng (30CA) và áp suất phun tăng lên (1200 bar) ở tỷ lệ 30% RSO đã làm giảm mạnh sự phát thải của bồ hóng so với nhiên liệu DO Tác giả khuyến cáo cần điều chỉnh thống

số phun cho các loại nhiên liệu này khi pha trộn ở tỷ lệ cao hơn 30%

Claudia A Pisac [16], nghiên cứu thử nghiệm để đánh giá đặc tính quá trình cháy của axít béo Methyl Ester được tổng hợp từ dầu ăn phế thải (WCO) Claudia A nhận thấy sự khác biệt giữa các nhóm liên kết trong dầu diesel và Methyl ester là yếu tố dẫn đến thay đổi quá trình cháy, đặc biệt là thời gian cháy trễ do hóa Kết quả nghiên cứu cung đã chứng tỏ cấu trúc mạch hydrocarbon trong Methyl ester nhanh phá vỡ liên kết

so với dầu DO bởi các thành phần hóa học, dẫn đến giảm tốc tộ tỏa nhiệt và giảm công suất đến 9%

Như vậy, tất cả các nghiên cứu trên chưa chỉ ra sự thay đổi các thông số công tác chủ yếu (công suất, suất tiêu hao nhiên liệu…) khi sử dụng nhiên liệu B10 (điều chế từ

mỡ cá da trơn) so với DO

1.2.2 Tại Việt Nam

“Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025”

với mục tiêu chủ yếu là phát triển NLSH, 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 đã được Thủ tướng Chính phủ ký Quyết định 177/2007/QĐ-TTg phê duyệt ngày 20/11/2007 Theo Đề án này, mục tiêu đến giai đoạn 2011 - 2015, nước ta làm chủ và sản xuất các vật liệu, chất phụ gia phục vụ sản

19

xuất NLSH, ứng dụng thành công công nghệ lên men hiện đại để đa dạng hóa các nguồn nguyên liệu cho quá trình chuyển hóa sinh khối thành NLSH Đến năm 2015, sản lượng Ethanol và dầu thực vật đạt 250 nghìn tấn, đáp ứng 1% nhu cầu xăng dầu của cả nước Tầm nhìn đến năm 2025, công nghệ sản xuất NLSH ở nước ta đạt trình

độ tiên tiến trên thế giới với sản lượng Ethanol và dầu thực vật đạt 1,8 triệu tấn, đáp ứng khoảng 5% nhu cầu xăng dầu của cả nước [2]

Học tập các quốc gia phát triển, trên cơ sở bộ tiêu chuẩn ATSM D6751 của Hoa

Kỳ và bộ tiêu chuẩn EN 14214 của châu Âu, năm 2007 Việt Nam đã ban hành bộ tiêu chuẩn TCVN 7717:2007 (bảng 1.3) với 13 chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của biodiesel B100

và trở thành một trong các quốc gia đi tiên phong ở khu vực trong việc xây dựng, phát

triển và kiểm soát sản phẩm biodiesel

Bảng 1.3 Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của biodiesel B100 theo TCVN 7717

Độ nhớt động học tại 400C,

mm2/s

Trên cơ sở TCVN 7717:2007, năm 2009 Việt Nam đã ban hành quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về xăng, nhiên liệu DO và NLSH – QCVN 1:2009/BKHCN với 11 chỉ

20

tiêu kỹ thuật cơ bản của biodiesel B100 (bảng 1.4) Bên cạnh việc công bố chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của biodiesel B100, các phòng thí nghiệm trọng điểm và các trung tâm phân tích kiểm nghiệm của Việt Nam đã đầu tư và hoàn thiện các bộ thí nghiệm để phân tích đánh giá các mẫu dầu theo yêu cầu

Bảng 1.4 Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của biodiesel B100

Theo QCVN 1:2009/BKHCN Tên chỉ tiêu Mức Phương pháp thử

Hàm lượng Este metyl axit béo (FAME), %

Độ nhớt động học tại 400C, mm2/s 1,9 – 6,0 TCVN 3171 (ASTM D 445) Tro sulphát, % khối lượng, không lớn hơn 0,020 TCVN 2689 (ASTM D 874)

Năm 2004, Phân viện khoa học vật liệu tại Tp.HCM đã nghiên cứu thành công công nghệ sản xuất dầu Biodisel từ mỡ động vật Trong đó, nhóm nghiên cứu của tác giả Nguyễn Hữu Hường đã “ra mắt” công nghệ sản xuất dầu biodiesel từ nguồn dầu phế thải và mỡ cá Basa Qua thử nghiệm trên động cơ xe ô tô Mercedes 16 chỗ với quãng đường 1.000km, nhiên liệu B20 đảm bảo nồng độ khí thải trong mức cho phép

và không ảnh hưởng đến sự hoạt động của động cơ [5]

Năm 2005, Viện Hoá học công nghiệp Việt Nam đã được Tổng công ty Hoá chất

giao thực hiện đề tài KH&CN "Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ sản xuất diesel sinh

học từ các nguồn nguyên liệu khác nhau và đánh giá tính chất của nhiên liệu hỗn hợp diesel sinh học/diesel" [48] Đề tài tập trung chủ yếu vào việc hoàn thiện công nghệ

21

điều chế diesel sinh học từ các nguồn nguyên liệu khác nhau, đặc biệt là từ dầu dừa ở quy mô phòng thí nghiệm và đánh giá các chỉ tiêu chất lượng của biodiesel Cùng thời gian đó, một đề tài độc lập cấp Nhà nước do Công ty cổ phần phụ gia và sản phẩm dầu

mỏ chủ trì cũng được triển khai nghiên cứu, nhưng nội dung chính là nghiên cứu công nghệ sản xuất xăng và dầu diesel pha cồn Thực tế, đề tài chưa nghiên cứu công nghệ hoàn thiện để triển khai sản xuất ở quy mô công nghiệp, chưa nghiên cứu một cách hệ thống các vấn đề pha trộn, phân tích, thử nghiệm và đánh giá đặc tính nhiên liệu diesel sinh học từ các loại nguyên liệu khác nhau

Nhóm nghiên cứu do tác giả Hồ Sơn Lâm Tp.HCM [54], đã tiến hành nghiên cứu hàm lượng các chất độc hại có trong khí thải khi sử dụng biodiesel trên động cơ máy phát điện và nhận thấy: Loại nhiên liệu Bio-2/IAMS (nhiên liệu dùng cho chạy máy phát điện) cho hàm lượng hydrocacbon trong khí thải (khi sử dụng 10% Bio-2 /IAMS

để pha với DO) thấp nhất (25ppm) Khi pha 5 hay 15%, hàm lượng hydrocacbon trong khí thải cũng ít hơn khi sử dụng 100% DO

Tại Phòng Thí nghiệm trọng điểm quốc gia về công nghệ lọc - hóa dầu [50], các nhà khoa học thử nghiệm loại biodiesel pha 5% với DO trên một số loại xe 7 chỗ và xe tải trọng 1,25 tấn, mỗi xe chạy 1.000km Kết quả thử nghiệm cho thấy, nếu biodiesel đạt tiêu chuẩn Việt Nam khi pha với tỷ lệ 5% sẽ không ảnh hưởng đến chất lượng vận hành động cơ

Trước năm 2007, tại khu vực ĐBSMK đã xảy ra hàng loạt vụ sử dụng dầu biodiesel tự phát dẫn đến hậu quả làm hư hỏng động cơ phương tiện đánh bắt thủy hải sản, điều này đã làm ảnh hưởng không nhỏ đến việc sử dụng dầu mỡ cá biodiesel cho

động cơ và thiệt hại về kinh tế của người dân [54]

Mỡ cá tra và cá basa Việt Nam là nguồn nguyên liệu rất thích hợp để tổng hợp biodiesel và theo tính toán của các nhà khoa học, nếu tận dụng được nguồn nguyên liệu này chúng ta sẽ sản xuất được 300 triệu lít B100 hay tương đương khoảng 3 tỷ lít B10 [54] Hiện nay, tại ĐBSMK có ba nơi đã sản xuất thành công diesel sinh học từ

mỡ cá tra và basa, cụ thể là công ty Agifish - An Giang với công suất 10.000 (tấn/năm); Công ty Minh Tú - Cần Thơ với công suất 300 (lít/giờ); Công ty thương mại thủy sản Vĩnh Long với công suất 500.000 (tấn/năm) [54] Không chỉ có các nhà khoa học quan tâm, mà các nhà quản lý ở Việt Nam cũng rất quan tâm đến nguồn

nhiên liệu sinh học Đề án “Phát triển nhiên liệu sinh học” do Bộ Công Thương chủ

trì đã được Chính phủ phê duyệt để đi vào hoạt động với mục tiêu sẽ làm chủ được