Phân tích ảnh hưởng của sóng biển và dòng chảy đến đáp ứng động lực học kết cấu khung nổi

Nhiên liệu sinh học được khai thác từ nhiều nguồn khác nhau như dầu thực vật, mỡ động vật, mỡ cá, dầu ăn phế thải, hạt Jatropha, hạt cây cao su….Tại Việt Nam nói riêng đây là vấn đề còn

Đại Học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

BÙI T ẤT ĐẠT

ĐỐT TRONG

Chuyên ngành: Kỹ thuật ô tô – máy kéo

TP H Ồ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2009

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

Tp HCM, ngày tháng năm

NHI ỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: BÙI TẤT ĐẠT Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 25/10/1983 Nơi sinh: Phú Thọ Chuyên ngành: Kỹ thuật Ô tô – Máy kéo MSHV: 01307254 Khoá (Năm trúng tuyển): 2007

1- TÊN ĐỀ TÀI: “Nghiên cứu ứng dụng Biodiesel từ cây Jatropha cho động cơ đốt trong.”

2- NHI ỆM VỤ LUẬN VĂN:

Nghiên cứu khả năng phát triển và ứng dụng Biodiesel từ cây Jatropha cho động

cơ đốt trong tại việt nam

3- NGÀY GIAO NHI ỆM VỤ:

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHI ỆM VỤ:

5- H Ọ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN HỮU HƯỜNG

QL CHUYÊN NGÀNH

TS NGUY ỄN HỮU HƯỜNG PGS TS PH ẠM XUÂN MAI

N ội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua

Ngày tháng năm

Sau 2 năm theo học chương trình đ ạo tạo thạc sĩ chuyên ngành Kỹ Thuật Ô tô – Máy kéo thuộc Khoa Kỹ Thuật Giao Thông, Ở học kỳ cuối em được thực hiện đề tài

“ Nghiên cứu ứng dụng biodiesel từ cây Jatropha cho động cơ đốt trong” do thầy Nguyễn

Hữu Hường hướng dẫn

Trong quá trình làm luận văn, thầy hướng dẫn đã chỉ cho em hướng đi đúng cũng như cung cấp các tài liệu cần thiết Ngoài ra em còn nhận được sự giúp đỡ của các học viên cùng khoá 2007 – 2009 và các phần mềm hỗ trợ trong quá trình làm luận văn Bên

cạnh đó là sự hỗ trợ trong công việc của các anh em, bạn bè đang làm việc tại công ty xe máy VMEP VIỆT NAM

Em xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Hữu Hường, cảm ơn thầy đã

tận tình giúp đ ỡ, truyền thụ những kiến thức quý báu giúp em vư ợt qua những khó khăn

để hoàn thành đề tài

Do hạn chế về khả năng cũng như về thời gian nên chắc chắn luận văn không thể tránh khỏi sai sót Mong quý thầy cô, các bạn bè góp ý, bổ sung để đề tài có thể nhanh chóng đưa ra ứng dụng thực tế

Học viên KS.BÙI TẤT ĐẠT

Nhu cầu dùng năng lượng thế giới ngày càng tăng do phát triển của thế giới và sự gia tăng sử dụng động cơ đốt trong Do đó trên thế giới đang phải đối mặt với hai cuộc

khủng hoảng đó là: thiếu hụt nhiên liệu và ô nhiễm môi trường

Nguồn nhiên liệu hóa thạch rất hạn chế, vì vậy việc tìm kiếm các nguồn nhiên liệu

mới thay thế đang ngày cấp bách để đảm bảo an ninh năng lượng và giảm ô nhiễm môi trường

Trên thế giới hiên nay nhiên liệu sinh học đang được rất nhiều nước quan tâm vì

khả năng thay thế nhiên liệu hoá thạch là rất cao và giảm ô nhiễm môi trường Nhiên liệu sinh học được khai thác từ nhiều nguồn khác nhau như dầu thực vật, mỡ động vật, mỡ cá,

dầu ăn phế thải, hạt Jatropha, hạt cây cao su….Tại Việt Nam nói riêng đây là vấn đề còn

rất mới và chưa tập trung đầu tư nghiên cứu để đưa vào thực tế

Trong luận văn này tôi đã nghiên cứu khả năng phát triển và ứng dụng Biodiesel từ

hạt Jatropha cho động cơ đốt trong tại Việt Nam Luận án sử dụng với phần mềm Ricardo – Wave để mô phỏng đặc tính làm việc của động cơ với nhiên liệu là Biodiesel Jatropha

và so sánh với nhiên liệu Diesel truyền thống

Do điều kiện tìm kiếm nhiên liệu Biodiesel Jatropha tại Việt Nam còn nhiều khó khăn, nên luận án chưa thực hiện được thực nghiệm trên băng thử để so sánh với kết quả

mô phỏng Kính monh quý thầy cô góp ý để có thể hoàn thiện đề tài hơn nữa

GI ỚI THIỆU Trang

1.1 – Mục đích ……… …… 1

1.2 – Phạm vi nghiên cứu ……….…… …2

1.3 – Phương pháp nghiên cứu ………… …… ….2

1.4 – Ý nghĩa của đề tài ……… ….3

1.5 – Các đề tài đã được nghiên cứu ……… ….4

Chương 2 T ỔNG QUAN VỀ JATROPHA VÀ BIODIESEL THỰC VẬT 2.1 – Tình hình phát triển Jatropha và Biodiesel trên thế giới 5

2.2 – Tiềm năng phát triển Jatropha và nhiên liệu sinh học của Việt Nam 10

2.3 – Dầu thực vật – Biodiesel và các phương pháp điều chế 13

2.3.1 Thành phần hóa học của dầu thực vật 14

2.3.2 Điều chế dầu thực vật thành Biodiesel 14

2.3.2.1 Phương pháp sấy nóng nhiên liệu 15

2.3.2.2 Phương pháp pha loãng 16

2.3.2.3 Phương pháp Cracking 16

2.3.2.4 Phương pháp nhũ tương hóa dầu thực vật 17

2.3.2.5 Phương pháp este hóa 17

Chương 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT BIODIESEL – JATROPHA 3.1 Đặc tính chung Biodiesel 21

3.2 Những ảnh hưởng của chỉ tiêu chất lượng Biodiesel đến quá trình hoạt động của động cơ 24

Chương 4 CƠ CHẾ HÌNH THÀNH CÁC CHẤT GÂY Ơ NHIỄM TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL 4.1 Cơ chế hình thành NOx 30

4.1.1 Giới thiệu 30

4.1.2 Cơ chế hình thành Oxyde Nitơ 31

4.1.2.2 Sự hình thành dioxide nitơ 33

4.1.2.3 Sự hình thành protoxyde nitơ 33

4.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành Oxyde Nitơ trong động cơ Diesel 34

4.2 Cơ chế hình thành monoxyde carbon CO 36

4.2.1 Giới thiệu 36

4.2.2 Cơ chế hình thành CO 36

4.2.2.1 Tính toán nồng độ CO trong điều kiện nhiệt động học cân bằng 37

4.2.2.2 Tính nồng độ CO trong khí xả theo động học phản ứng 39

4.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành CO 40

4.2.3.1 Ảnh hưởng của áp suất nạp 40

4.2.3.2 Ảnh hưởng của thành phần hỗn hợp 42

4.2.3.3 Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm 42

4.2.3.4 Ảnh hưởng của nhiên liệu 42

4.2.3.5 Ảnh hưởng của hệ số khí sót 43

4.3 Cơ chế hình thành hydrocarbure chưa cháy HC 43

4.3.1 Sự phát sinh hydrocarbure chưa cháy trong khí xả động đốt trong 43

4.3.2 Cơ chế tôi màng lửa 45

4.3.3 Sự phát sinh HC trong quá trình cháy trong động cơ Diesel 46

4.3.3.1 Đặc điểm phát sinh HC trong quá trình cháy động cơ Diesel 46

4.3.3.2 Phát sinh HC trong trường hợp hỗn hợp quá nghèo 47

4.3.3.3 Phát sinh HC trong trường hợp hỗn hợp quá giàu 48

4.3.3.4 Phát sinh HC do tôi ngọn lửa và hỗn hợp không tự bốc cháy 49

Cơ chế tạo bồ hóng trong buồng cháy động cơ Diesel 50

4.3.4.2 Phát triển hạt bồ hóng 53

4.3.4.3 Quá trình oxy hóa hạt bồ hóng 53

Chương 5 NGHIÊN C ỨU QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA NHIÊN LIỆU BIODIESEL TỪ CÂY JATROPHA B ẰNG PHẦN MỀM RICARDO-WAVE TRÊN ĐỘNG CƠ VIKYNO RV195N 5.1 Giới thiệu về phần mềm Ricardo – Wave 55

5.1.1 Các chức năng chính của phần mềm Ricardo – Wave 57

5.2 Thông số kỹ thuật động cơ VIKYNO RV – 195N 59

5.3 Xây dựng mô hình động cơ trong phần mềm Wave 62

5.4 Các đồ thị đặc tính làm việc của động cơ RV195N 76

5.5 Các đồ thị về độ khí thải của động cơ RV195N 82

Chương 6 K ẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 6.1 Kết luận 88

6.2 Hướng phát triển đề tài 89

CÁC B ẢNG PHỤ LỤC 1 Phụ lục chương trình tính toán chính của phần mềm Ricardo-Wave (PL1) 90

2 Phụ lục áp suất trong buồng cháy theo góc quay trục khuỷu (PL2) 97

3 Phụ lục nhiệt độ trong buồng cháy theo góc quay trục khuỷu (PL3) 97

4 Phụ lục momen xoắn trong buồng cháy theo góc quay trục khuỷu (PL4) 97

2 Phụ lục Entapi trong buồng cháy theo nhiệt độ (PL5) 97

TÀI LI ỆU THAM KHẢO 118

Chương 1

GI ỚI THIỆU

1.1 M ục đích

Trong xã hội phát triển, động cơ đốt trong có vai trò hết sức quan trọng

trong mọi lĩnh vực, về công nghiệp, nông nghiệp, kinh tế cũng như thoả mãn

các nhu cầu trong cuộc sống Động cơ đốt trong được sử dụng rộng rãi trên các

phương tiện giao thông, sản xuất nông - lâm - ngư nghiêp…

Với lợi ích từ động cơ đốt trong mang lại thì nguồn khí xả của nó cũng

gây nên ô nhiễm chính trong bầu khí quyển Theo ước tính là khoảng 80% khí

CO, 60% HC và 40% NOx trong khí quyển hiện nay là do khí thải của động cơ

đốt trong gây ra

Mặt khác, dầu mỏ hiện nay là nguồn nhiên liệu chính trên thế giới, nhu

cầu sử dụng năng lượng là rất lớn, trong đó diesel chiếm 80% tổng lượng nhiên

liệu tiêu thụ Càng phụ thuộc vào dầu mỏ, chúng ta càng có nhiều khó khăn

thách thức khi nó là nguồn tài nguyên không thể phục hồi Cùng với sự phát

triển kinh tế, các nước ngày càng đẩy mạnh việc khai thác dầu mỏ làm cho

nguồn tài nguyên này trở nên cạn kiệt Với tình tình hình thế giới như nguồn

nhiên liệu dầu mỏ không ổn định, giá nhiên liệu tăng cao, và nguy cơ khủng

hoảng dầu mỏ

Chính vì vậy: việc tìm ra nguồn năng lượng mới, nhiên liệu sạch hơn (ít

gây ô nhiễm môi trường) thay thế cho nhiên liệu từng dùng trong động cơ đ ốt

trong đã được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm Đã có nhiều công trình

nghiên cứu về ứng dụng năng lượng mặt trời cho xe ô tô, sản xuất ô tô chạy

bằng năng lượng điện, dùng khí dầu mỏ hoá lỏng (LPG) và khí nén thiên nhiên

dùng cho ô tô, động cơ t ĩnh tại Trong những năm gần đây các nhà khoa học

cũng nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh học (biodiesel) trong động cơ đốt

trong Nguyên liệu để điều chế nhiên liệu sinh học có từ nhiều nguồn gốc khác

nhau như: dầu thực vật hay mỡ động vật Biodiesel đ ã và đang được nghiên

cứu và sử dụng ở nhiều quốc gia Ngoài yếu tố thân thiện với môi trường,

biodiesel còn là nguồn tài nguyên có thể tái tạo được và còn góp phần thúc đẩy

nền sản xuất nông nghiệp và kinh tế phát triển

1.2 Ph ạm vi nghiên cứu

Trên cơ sở những nguồn năng lượng mới được thế giới sử dụng tương

đối phổ biến hiện nay cụ thể ở đây là nguồn năng lượng Biodiesel Nghiên cứu

về nhiên liệu biodesel, cụ thể là biodiesel từ cây Jatropha hay cây cọc rào Phân

tích khả năng phát triển và tính ứng dụng thực tế của loại nhiên liệu này tại việt

nam và khả năng phát triển cây Jatropha tại việt nam Nghiên cứu mô phỏng

nhiên liệu trên một loại động cơ được xây dựng giống như động cơ thực tế

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp đồng thời các phương pháp :

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu : thu thập tài liệu, sáng chế về

các loại xe sử dụng nhiên liệu biodiesel từ cây Jatropha, qua Internet, các tài liệu chuẫn mẫu Tìm hiểu về qui trình sản xuất biodiesel từ cây Jatropha

- Tham kh ảo ý kiến : thầy cô, các ch uyên gia giàu kinh nghiệm

trong lĩnh vực ôtô xe máy, nhiên liệu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết :

+ Lý thuyết động cơ nhiệt, động cơ điện và hệ thống điều khiển

tự động

+ Lý thyết tính toán quá trình cháy

+ Lý thuyết về thiết kế động cơ

+ Lý thuyết về năng lượng mới và tái tạo năng lượng

+ Lý thuyất về nhiên liệu trong động cơ đốt trong của các looại

nhiên liệu mới

+ Lý thuyết về ô nhiễm môi trường

- Phương pháp mô phỏng :

+ Thực hiện các mô phỏng dựa trên phần mềm Ricardo-Wave,

với các thông số là một động cơ thực tế cụ thể RV195-N (VIKYNO) và tham khảo kết quả trên các tài liệu sẵn có

+ So sánh với những loại nhiên liệu khác nhằm điều chỉnh cho

hợp lý

+ Kết luận đánh giá làm cơ sở cho những cải tiến sau này

1.4 Ý ngh ĩa của đề tài

Cùng với sự phát triển không ngừng và ngày càng hiện đại của thế giới

vấn đề năng lượng là một trong những vấn đề quan tâm hàng đầu Ngày càng

có nhiều nguồn năng lượng mới được các nước sử dụng tuy chỉ chiếm một tỷ lệ

rất nhỏ nhưng nó cũng giải quyết một phần vấn đề an toàn năng lượng và giảm

ô nhiễm môi trường Tại Việt Nam, tuy chưa có loại nhiên liệu mới nào được

sử dụng rộng rãi nhưng với điều kiện đất đai và khí hậu thì rất phù hợp trồng

các loại cây để sản xuất dầu Bio-diesel sinh học Điều này vừa tạo ra việc làm

cho nông dân, thúc đẩy các nghiên cứu về năng lượng mới, đồng thời giảm giá

thành của nhiên liệu và ô nhiễm môi trường Trong các loại cây dùng để sản

xuất nhiên liệu sinh học cây Jatropha rất phù hợp với điều kiện đất đai khí hậu

nước ta Cây Jatropha thì rất phù hợp với những vùng đất khô cằn và tạo ra thu

nhập cho người dân Trước mắt chúng ta có thể xuất khẩu hạt cho các nước có

công nghệ sản xuất Biodiesel hiện đại

1.5 Các đề tài đã được nghiên cứu

Cho đến nay các nghiên cứu về nhiên liệu Biodiesel còn rất ít và hầu

như con rất mới mẻ tại Việt Nam Tại trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM

cũng có một số đề tài nghiên cứu khả năng ứng dụng Biodiesel sản xuất từ mỡ

cá basa hoặc từ cây dầu dừa Các đề tài nghiên cứu về Biodiesel có nguồn gốc

từ cây Jatropha còn ít

Trong khi đó, nguồn nhiên liệu Biodiesel từ cây Jatropha đã được nghiên

cứu và áp dụng thành công cho nhiều quốc gia trên thế giới và hiện nay cũng

đang được trồng và tiến hành ứng dụng rộng rãi tại việt nam

Khó khăn chính trong việc nghiên cứu là tìm kiếm được nguồn nhiên liệu

mới này vì tại Việt Nam chưa có một công ty nào sản xuất Trong năm qua

nhiều dự án về Jatropha được trồng tại nước ta, do đó hướng nghiên cứu chính

trong đề tài là nghiên cứu mô phỏng các đặc tính nhiên liệu dựa trên phần mềm

mô phỏng Ricardo – Wave

Từ những điều nêu trên cho thấy cần nghiên cứu theo hướng tham khảo

kinh nghiệm đã thực hiện được của thế giới và cần phải phân tích với các thông

số của động cơ sử dụng tại Việt Nam (RV190N-VIKYNO) từ đó đưa ra các

biện pháp cải thiện

Chương 2

2.1 Tình hình phát tri ển Biodiesel và Jatropha trên thế giới [10], [11], [19]

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều nước đã sử dụng nhiên liệu biodiesel

để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực trong

đời sống và công nghiệp Trong luận văn này chủ yếu tập trung nghiên cứu về

loại biodiesel từ dầu thực vật cụ thể là từ cây Jatropha (cây cọc rào)

Cây Jatropha (còn gọi là cây ma phong, cây cọc rào, cây dầu mè, cây

D.O) có nguồn gốc từ châu Mỹ, được trồng để lấy hạt làm nguyên liệu cho sản

xuất và chế biến dầu diesel sinh học, các phần khác của thân làm thức ăn cho

gia súc, bã hạt sau khi ép dúng làm phân bón hữu cơ

Hạt Jatropha có hàm lượng dầu trên 60 % (70% là khô dầu có hàm

lượng protein khoảng 30% dùng làm phân hữu cơ , nếu khử hết độc tố có thể

dùng làm thức ăn gia súc có hàm lượng đạm cao) có chất lượn g tốt tương

đương với dầu diesel hóa thạch truyền thống Loại dầu này giúp giảm thiểu

được lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính và đặc biệt không có lưu huỳnh nên

rất thân thiện với môi trường Cụ thể, một hecta cây Jatropha có thể

cho năng suất từ 10 tấn hạt/ha/năm sẽ sản xuất được 3 tấn dầu Diesel sinh học

và 7 tấn bã khô dầu sẽ tạo ra gi á trị khoảng 4.200USD/năm (hơn 7 0 triệu

đồng/ha/năm)

Hình 2.1: Cây và h ạt cây Jatropha dùng sản xuất Biodiesel [19]

Dầu diesel sinh học nói chung và dầu diesel sinh học từ hạt cây cọc rào

nói riêng đã bắt đầu được sử dụng khá phổ biến ở các dạng B5, B10, B20, B30

và thậm chí B100 tại các nước như Đức, Anh, Tây Ban Nha, Mỹ, Ấn Độ,

Braxin… đặc biệt Đức là nước đi dầu, dẫn đầu về thị phần SX và sử dụng dầu

diesel sinh học trên thế giới, chiếm 50% Gần đây nhất tại Anh, tàu hoả cao tốc

đầu tiên trên thế giới chạy bằng diesel sinh học (B20) có tên Virgin Voyager đã

được đưa vào hoạt động

Hình 2.2 Virgin Voyager Tàu ho ả đầu tiên chạy bằng nhiên liệu B20 tại nước

Giáo sư Klause Becker ở Đại học Stuttgart đã nhận đơn đặt hàng của Tập

đoàn ôtô Daimler Chrysler của Đức nghiên cứu về cây Jatropha Giáo sư cho

biết, cách đây 15 năm, ông là một trong những người đầu tiên ở Châu Âu cùng

với một hãng tư vấn của Áo đã tiến hành nghiên cứu cây Jatropha ở Nicaragoa

Loài cây này đã có cách đây 70 triệu năm nhưng chẳng được ai quan tâm Sau

khi có dự án của Daimler Chrysler, đã dấy nên cơn sốt Jatropha trên toàn thế

giới

Hình 2.3: Máy bay s ử dụng thành công nhiên liệu 50% diesel + 50% biodiesel

Jatropha ở New Zealand [19]

Dầu diesel sinh học từ Jatropha đã được sử dụng vào các loại xe thông

thường Dự báo đến năm 2030, xe ôtô trên toàn thế giới từ 500 triệu chiếc hiện

nay lên 900 triệu chiếc, trong đó Trung Quốc có tới 190 triệu chiếc Theo

nguồn tin đáng tin cậy thì các nguồn dự trữ dầu mỏ và khí đốt với giá trị tổng

cộng từ 15 - 20 tỷ USD chỉ có thể khai thác trong vòng 10 năm nữa, có nghĩa là

cây Jatropha sẽ là một cây trồng đầu tiên mà người nông dân làm ra không sợ

không có đầu ra Không những vậy, diesel sinh học từ Jatropha là loại dầu cháy

một cách sạch sẽ và sạch hơn bất kỳ một loại chất đốt diesel nào khác Cây

Jatropha trồng được trên đất bị thoái hoá, sau mươi mười lăm năm, có thể tái sử

dụng diện tích này để trồng các loại cây khác vì cây Jatropha đã chặn đứng

được tình trạng rửa trôi

Hiệu quả kinh tế của cây Jatropha được đánh giá là khả quan Ở Ấn Độ,

trồng Jatropha trên vùng đất khô cằn, 1 cây cho 5 - 6 kg hạt, 1ha t rồng 2500

cây có thể đạt năng suất trên 10 tấn hạt/ha/năm Với hàm lượng dầu của hạt

38%, thì 1ha Jatropha có thể sản xuất được 4,5 tấn dầu/năm Với giá bán hạt

tính ra 2000VND/kg thì giá trị thu được trên 1ha đạt 20 triệu VND/năm Ở

Trung Quốc, doanh nghiệp ký hợp đồng mua hạt Jatropha của nông dân với giá

1,6NDT/kg, tức khoảng 3500VND/kg Như vậy, với năng suất 10 tấn

hạt/ha/năm thì 1ha Jatropha đạt doanh thu tới 35 triệu VND/năm

Hình 2.3 :Lượng phát thải CO 2 do nhiên li ệu sinh học chỉ bằng với khối lượng

t ự nhiên trong vòng tròn của nó

Về hiệu quả giảm ô nhiễm môi trường, theo Ông Boon thoong

Ungtrakul, phụ trách dự án sản xuất dầu diesel sinh học tại Chiềng Mai, Thái

Lan cho biết, nếu sử dụng B100 (100% diesel sinh học), lượng khí thải giảm

50% so với diesel truyền thống, còn B20 (20% diesel sinh học + 80% diesel

truyền thống), lượng khí thải giảm 20%

Vòng tròn chu trình phát thải

CO 2 của Biodiesel

Cây Jatropha trồng được trên mọi loại đất, kể cả vùng sa mạc nóng bỏng

ở Ai Cập, Jatropha vẫn phát triển tốt Ở các vùng đất dốc, đất nghèo kiệt,

không trồng được các loại cây nông nghiệp khác, cây Jatropha vẫn phát triển

tốt Chu kỳ kinh tế của cây này 30 - 50 năm Cây Jatropha còn cho sản phẩm

phụ là phân hữu cơ, thức ăn chăn nuôi giàu đạm (sau khi khử độc), làm dược

liệu, nuôi tằm lá sồi

Các nước nhiệt đới, á nhiệt đới đang phát triển mạnh cây Jatropha Thái

Lan hiện có 1600 ha Jatropha, dự kiến sẽ tăng lên 320 nghìn ha trong vài năm

tới Indonexia đặt mục tiêu đến năm 2010, nhiên liệu sinh học đáp ứng 20%

nhu cầu năng lượng trong ngành điện và giao thông vận tải Ở nước này, các

loại đất màu mỡ đều dành để trồng cây Cọ dầu, còn cây Jatropha sẽ trồng trên

các loại đất khô cằn nhưng mức đầu tư chỉ bằng 10% so với cây Cọ dầu Nhà

khoa học Robert Manurung, Giám đốc Trung tâm nghiên cứu công nghệ sinh

học thuộc Viện Công nghệ Bandung cho biết, một số công ty nước ngoài đang

xúc tiến dự án bao tiêu 1 triệu ha Jatropha với nông dân của 3 tỉnh Papua,

Kalimantan và Nusa Tenggara Mới đây, một công ty Hà Lan đã đặt mua 1

triệu tấn dầu Jatropha nguyên chất Ma nurung và nhiều nhà nghiên cứu khác ở

Indonexia dự báo rằng, Jatropha sẽ sớm soán ngôi cây Cọ dầu, trở thành nguồn

năng lượng có khả năng thay thế nhiên liệu hoá thạch và dầu cọ, đồng thời có

thể giúp nông dân nghèo ở các tỉnh miền đông quanh năm khô hạn có cơ hội

làm giàu Theo Uỷ ban quốc gia về nghiên cứu phát triển nhiên liệu sinh học từ

cây Jatropha của Indonexia, Chính phủ nước này có kế hoạch dành ít nhất 5

triệu ha đồi trọc lập các đồn điền trồng Jatropha, mía đường và sắn để sản xuất

các loại nhiên liệu sinh học

Ấn Độ đã xác định Jatropha là cây cho hạt có dầu thích hợp nhất để sản

xuất diesel sinh học Từ năm 2001, nhiều bang ở Ấn Độ đã có chương trình

khuyến khích trồng Jatropha trên quy mô lớn ở các vùng đất hoang hoá, được

nhà nước hỗ trợ giống và các nguồn vật tư đầu vào nhằm tạo việc làm, xoá đói

giảm nghèo, phát triển bền vững xã hội nông thôn Ấn Độ Cơ quan kế hoạch

của Chính phủ Ấn Độ đặt chỉ tiêu trồng 11 triệu ha cây Jatropha vào năm 2012

để có đủ nguyên liệu sản xuất diesel sinh học phối trộn theo tỷ lệ 20% Trong

tương lai Ấn Độ tiếp tục mở rộng trồng Jatropha trên phạm vi cả nước, đưa

diện tích trồng trên 33 triệu ha, trong số hơn 133 triệu ha đất đang bị bỏ hoang

MYANMA là nước phát triển trồng Jatropha với tốc độ nhanh Đến

2006, diện tích trồng Jatropha ở MYANMA đã đạt 800.000 ha

Trung Quốc là nước quan tâm phát triển mạnh Jatropha trong vài năm

gần đây, chủ yếu là 7 tỉnh gồm Tứ Xuyên, Quý Châu, Vân Nam, Phúc Kiến,

Quảng Tây, Quảng Đông và Đảo Hải Nam, trong đó, ở khu tự trị Quảng Tây

đến cuối năm 2007 đã trồng được 15 nghìn ha, dự định đưa lên khoảng 10 vạn

ha trong vài năm tới Các tỉnh khác có điều kiện đã có kế hoạch trồng Jatropha

trên quy mô lớn trong mấy năm tới

Theo ước tính của GS Klause Becker, cho đến nay, cả thế giới đã trồng

được khoảng 5 triệu ha Jatropha Hiện nay, có khoảng 1000 nhóm nghiên cứu

về diesel sinh học và Jatropha Cho đến thời điểm này, Jatropha vẫn là một cây

dại, mới được đưa vào đối tượng cây trồng được khoảng trên 15 năm, cũng có

thể coi Jatropha là cây nông nghiệp trẻ nhất trong lịch sử trồng cây nông nghiệp

của loài người Dự báo thị trường dầu Jatropha sẽ hình thành ít nhất cũng phải

sau vài ba năm nữa [18]

2.2 Ti ềm năng phát triển Jatropha và nhiên liệu sinh học của Việt Nam

So với các loại dầu thực vật khác như dầu cọ và dầu hướng dương, thì

dầu jatropha curcas là rẻ hơn bởi vì nó không ăn được Ngoài ra Jatropha có thể

được trồng trên vùng đất khô cằn

Ở các vùng núi nước ta, hầu hết các tỉnh đều có thể trồng được cây

Jatropha Đối chiếu với yêu cầu sinh lý, sinh thái của cây Jatropha, các yếu tố

khí hậu và thổ nhưỡng ở các tỉnh miền núi của nước ta đều nằm gọn trong

ngưỡng yêu cầu của cây này

Sau khi khẳng định được các vùng miền núi Việt nam có thể trồng được

Jatropha thì vấn đề còn lại là các yếu tố về quỹ đất chưa sử dụng và khả năng

cạnh tranh của Jatropha so với các cây trồng khác trong điều kiện tương tự

cũng như sức cạnh tranh về chất lượng và giá Jatropha được sản xuất ở các

nước khác

Từ các lý do trên, ở các vùng đồi núi Việt Nam, chỉ có 3 vùng có khả

năng sản xuất Jatropha quy mô lớn là vùng miền núi phía Bắc, Bắc Trung Bộ,

Nam Trung Bộ vừa có điều kiện khí hậu phù hợp, lại có quỹ đất chưa sử dụng

còn nhiều, đất dốc, trồng được Jatropha có thu nhập cao hơn, có khả năng cạnh

tranh với cây công nghiệp, cây ăn quả và các cây lâm nghiệp khác

Còn các vùng Tây Nguyên và Đông Nam Bộ, tuy điều kiện khí hậu rất

phù hợp, nhưng quỹ đất chưa sử dụng không nhiều, là vùng đất tốt, đất ít dốc

cần giành ưu tiên để phát triển cây công nghiệp cho thu nhập cao như cao su,

cà phê, chè (chất lượng cao), tiêu, điều, cây ăn quả và một số cây đặc sản khác,

không nên sản xuất Jatropha (trừ khi Jatropha có giống năng suất, hàm lượng

dầu cực cao, giá dầu thế giới gia tăng đột biến)

Các chỉ tiêu

đánh giá

Vùng miền núi phía Bắc

Vùng Bắc Trung Bộ

Vùng Nam Trung Bộ

Vùng Tây Nguyên

Vùng Đông Nam Bộ

Điều kiện khí

hậu

-Mùa hè nóng, mùa đông lạnh-Mưa nhiều-Số giờ nắng nhiều

-Mùa hè nóng, mùa đông lạnh-Mưa nhiều-Số giờ nắng nhiều

-Nóng quanh năm, không

có mùa đông

lạnh-Mưa ít hơn-Số giờ nắng

-Nóng quanh năm, không

có mùa đông

lạnh-Mưa nhiều-Số giờ nắng

-Nóng quanh năm, không

có mùa đông

lạnh-Mưa nhiều-Số giờ nắng Đánh giá Phù hợp Phù hợp Rất phù hợp Rất phù hợp Rất phù hợp

Điều kiện thổ

nhưỡng

-Đất có độ phì nhiêu khá-Đất dốc

-Đất xấu-Đất dốc -Đất xấu-Đất dốc -Đất tốt-Đất ít dốc -Đất tốt-Đất ít dốc

loại cây ăn

quả, cây công nghiệp và cây

Có khả năng cho thu nhập cao hơn các

loại cây ăn

quả, cây công nghiệp và cây

Có khả năng cho thu nhập cao hơn các

loại cây ăn

quả, cây công nghiệp và cây

Khó cạnh tranh với các cây công nghiệp, cây

ăn quả, cây đặc sản khác

Khó cạnh tranh với các cây công nghiệp, cây

ăn quả, cây đặc sản khácĐánh giá Rất cao Rất cao Rất cao Thấp Rất thấp

Đánh giá

chung

Có khả năng phát triển quy

mô lớn, phát triển bền

vững

Có khả năng phát triển quy

mô lớn, phát triển bền

vững

Có khả năng phát triển quy

mô lớn, phát triển bền

vững

Khó có khả năng phát triển quy mô

lớn

Không có khả năng phát triển quy mô

lớn

Hình 2.4 Đánh giá khả năng trồng cây Jatropha tại các vùng ở Việt Nam

Tại Việt Nam khái niệm nhiên liệu sinh học vẫn cịn khá mới mẻ và mới

chỉ dừng lại ở những nghiên cứu chứ chưa cĩ quy mơ và ứng dụng thực tế Tuy

nhiên, dự báo khả năng tiêu thụ diesel sinh học trong tương lai là khơng đáng

lo ngại vì nguồn cung cấp diesel truyền thống sẽ cạn kiệt dần và diesel sinh học

cĩ đủ khả năng thay thế một phần đáng kể đối với diesel truyền thống với giá

cạnh tranh, nghĩa là thị trường tồn cầu về diesel sinh học vừa cĩ nhu cầu to

lớn, vừa cĩ thể được chấp nhận về giá Từ đĩ cĩ thể khẳng định trồng cây

Jatropha để sản xuất diesel sinh học cĩ thị trường bền vững [10]

Hiện loại cây này đã được tiến hành trồng thử nghiệm một số giống

nước ngồi và giống trong nước trồng tại vùng khơ hạn như: Ninh Thuận, Bình

Thuận, Sĩc Sơn (Hà nội), Thanh Hố, Bình Dương, Bình Phước bước đầu cĩ

triển vọng cao Hiện nay cĩ khoảng 10 cơng ty trong nước và 5 cơng ty nước

ngồi đang tiến hành trồng quy mơ nhỏ để thăm dị hoặc đang xúc tiến những

dự án lớn hoặc cực lớn Cụ thể như Cơng ty Núi Đầu đã trồng được 150 ha tại

Lạng Sơn, Cơng ty Green Energy trồng được 10 ha tại Sơn La và 5 ha tại Ninh

Thuận…Cơng ty VM-Agrotech của Malaysia đang làm thủ tục với tỉnh Bình

Thuận và Ninh Thuận để đầu tư trồng 60.000 ha và xây nhà máy chế biến dầu;

Tập đồn nhiên liệu sinh học Pan Asia của Canada cĩ kế hoạch đầu tư trồng

200.000 ha ở Việt Nam; Cơng ty Jatro của Đức cĩ kế hoạch trồng 200.000 ha

2.3 D ầu thực vật – Biodiesel và các phương pháp điều chế [3], [4], [10]

Dầu thực vật là loại dầu được chiết suất từ các hạt, các quả của cây

cối Nói chung các hạt quả của cây cối đều chứa dầu, nhưng từ dầu thực vật

chỉ dùng để chỉ dầu của những cây có dầu với chiết suất lớn Dầu từ hạt

những cây có dầu như: Đậu phộng, đậu nành, cải dầu, nho, hạt bông, hướng

dương Dầu từ quả của những cây có dầu như: cây dừa, cây cọ, Jatropha

Dầu làm nhiên liệu cho động cơ diesel có hai loại: sản phẩm dầu thực

vật điều chế trực tiếp từ các hạt, trái, cây lấy dầu và sản phẩm dầu thực vật

qua ester hóa (Biodiesel)

2.3.1 Thành phần hóa học của dầu thực vật

Thành phần hóa học của chúng nói chung gồm 95% các triglyceride và

5% các axid béo tự do Triglyceride là các triester tạo bởi phản ứng của các

axit béo trên ba chức rượu của glycerol Trong phân tử của chúng có chứa

các nguyên tố H, C, và O Người ta chia chúng thành ba nhóm:

* Nhóm dầu không khô (dầu axit béo bão hòa): Đó là các loại dầu có chỉ số iốt thấp dưới 95 như dầu dừa, dầu cọ, dầu phộng, dầu

ôliu

* Nhóm dầu nửa mau khô: Gồm các dầu có chỉ số iốt từ 95 đến khoảng 130 như dầu cao su, dầu mè, dầu hướng dương, dầu đậu nành,

dầu cải dầu, dầu bông, dầu bắp, Jatropha

* Nhóm mau khô: Gồm các dầu có chỉ số iốt trên 130 như dầu lanh, dầu trẩu

Về thành phần hóa học, đối với dầu thực vật so với dầu diesel: lượng

chứa C ít hơn 10 – 12%, lượng chứa H ít hơn 5 – 13% còn lượng O thì lớn

hơn rất nhiều (dầu diesel chỉ có vài phần ngàn O, còn dầu thực vật có 9 –

11% O) cho nên dầu thực vật là nhiên liệu có chứa nhiều oxy Chính vì điều

này mà dầu thực vật có thể làm việc với lượng dư không khí bé mà vẫn

cháy hoàn toàn

2.3.2 Điều chế dầu thực vật thành Biodiesel [10], [14], [15]

Để sử dụng dầu thực vật làm nhiên liệu, cần áp dụng những phương

pháp xử lý dầu để tính chất của nó gần giống với nhiên liệu diesel

Theo quan điểm khai thác động cơ thì: khác nhau cơ bản giữa dầu

thực vật so với nhiên liệu diesel chính là độ nhớt Ảnh hưởng của độ nhớt

đến làm việc của động cơ thể hiện ở chổ làm cho hệ thống nhiên liệu hoạt

động không bình thường, làm chất lượng của quá trình phun và cháy kém

hơn Do chất lượng phun và cháy kém nên các chỉ tiêu của động cơ diesel sẽ

giảm đi khi sử dụng dầu thực vật Vì lý do trên nên trong các giải pháp xử lý

dầu thực vật thì đều là phương pháp làm giảm độ nhớt của dầu thực vật

Để làm giảm độ nhớt của dầu ta có thể sử dụng các biện pháp sau:

 Phương pháp sấy nóng nhiên liệu

 Phương pháp pha lỗng

 Phương pháp craking

 Phương pháp nhủ tương hóa

 Phương pháp este hố

2.3.2.1 Phương pháp sấy nóng nhiên liệu

Phương pháp này dựa trên đồ thị thay đổi của độ nhớt theo nhiệt độ

Nhiệt độ trong khoảng dưới 300C sẽ làm độ nhớt thay đổi nhiều, ngược lại

khi nhiệt độ vượt trên 800C thì độ nhớt thay đổi rất ít Độ nhớt của dầu thực

vật sẽ giảm khi nhiệt độ tăng lên, bởi vậy sấy nóng được coi là một phương

pháp làm giảm độ nhớt của dầu thực vật

Khi động cơ diesel làm việc ở chế độ ổn định thì nhiệt độ của nhiên

liệu ở sau bơm cao áp thay đổi trong phạm vi từ 35 ÷ 40 0C Trong khoảng

nhiệt độ này thì độ nhớt của dầu thay đổi từ 25 ÷ 35 mm2/s, cao hơn 10 lần

so với độ nhớt của dầu diesel Để đạt được độ nhớt của nhiên liệu diesel thì

cần tăng nhiệt độ của dầu thực vật lên 70 đến 80 0C, bởi vì độ nhớt giảm rất

ít khi vượt trên 800C

Tăng nhiệt độ lên quá cao làm thay đổi trạng thái nhiệt và ảnh hưởng

xấu đến hệ thống cấp nhiên liệu Mặt khác phương pháp này không cải

thiện được trị số cetan của dầu thực vật, do đó phương pháp này chỉ thích

hợp để áp dụng đồng thời với các phương pháp khác, nhằm mục đích tăng

khả năng lưu thông của dầu thực vật, đặt biệt là khi động cơ làm việc trong

môi trường có nhiệt độ thấp

2.3.2.2 Phương pháp pha loãng

Phương pháp pha loãng là một trong những phương pháp đơn giản làm

giảm độ nhớt, có thể sử dụng nhiên liệu diesel để làm môi chất pha loãng

hoặc có thể dùng alcohol để pha loãng

Pha loãng dầu thực vật bằng dầu diesel sẽ tạo ra một nhiên liệu mới từ

dầu thực vật Đây là một hỗn hợp cơ học giữa nhiên liệu diesel và dầu thực

vật, hỗn hợp này đồng nhất và bền vững

Pha loãng không chỉ làm giảm độ nhớt của dầu thực vật mà nó còn cải

thiện được một số chỉ tiêu khác của dầu như: trị số cetan lớn hơn, nhiệt độ

đông đặc thấp hơn

2.3.2.3 Phương pháp Cracking

Có thể hình dung quá trình cracking dầu thực vật gần giống như quá

trình cracking dầu mỏ Nguyên tắc cơ bản của quá trình là cắt ngắn mạch

hydrocacbon của dầu thực vật dưới tác dụng của nhiệt độ và chất xúc tác

thích hợp Sản phẩm thông thường bao gồm: nhiên liệu khí, xăng, nhiên liệu

diesel và một số sản phẩm phụ khác

Với các điều kiện khác nhau có thể nhận được tỷ lệ nhiên liệu diesel

cao Nhiên liệu có được bằng phương pháp cracking có tính chất gần giống

với nhiên liệu diesel Cracking có thể thực hiện trong môi trường không khí,

hoặc trong môi trường khí nitơ

Có thể nhược điểm cơ bản của phương pháp này là tốn năng lượng để

điều chế nhiên liệu Sản phẩm thu được bao gồm nhiều thành phần nhiên

liệu khác nhau và đặc biệt là nó khó thực hiện được ở quy mô lớn Phương

pháp này đòi hỏi trình độ cao không phù hợp với điều kiện nước ta.Vì vậy

phương án đưa ra chỉ mang tính tham khảo và không đi sâu nghiên cứu

2.3.2.4 Phương pháp nhũ tương hóa dầu thực vật

Nhiên liệu ban đầu là dầu thực vật, rượu và chất tạo sức căng bề mặt

với thiết bị tạo nhũ có thể tạo ra nhũ tương dầu thực vật _ rượu, trong đó các

hạt rượu có kích thước hạt 150 mm được phân bố đều trong nhũ tương

Ưu điểm nhiên liệu có dạng nhũ có độ nhớt tương đương dầu diesel, tỷ

lệ rượu càng lớn thì độ nhớt của nhũ tương càng giảm Tuy nhiên lúc đó dễ

tạo ra các hạt nhũ tương nhỏ, khả năng phân lớp của các hạt nhủ tương tăng

lên Kết quả là nhũ tương kém đồng nhất và cần thiết phải áp dụng các biện

pháp bảo quản nhũ tương trong thời gian dài

Thứ hai là nhiệt độ hóa hơi của rượu tương đối thấp nên một phần

rượu bay hơi sẽ cản trở quá trình làm việc bình thường của hệ thống nhiên

liệu động cơ, cùng với các vấn đề trong tạo và bảo quản nhũ, do đó đây là

giải pháp khó áp dụng trong thực tế

2.3.2.5 Phương pháp este hóa

Nguyên tắc của quá trình: dầu thực vật tác dụng với cồn methanol hoặc

ethanol tạo ra ester Các ester này chính là biodiesel Sản phẩm phụ của quá

trình này chính là glycerin sử dụng trong ngành dược và mỹ phẩm

Hiện nay biodiesel được sản xuất từ quá trình chuyển hố ester Dầu thực

vật sau khi lọc được thủy phân trong mơi trường kiềm để tách axit béo tự do

Sau đĩ được trộn với cồn (thường là methanol) và chất xúc tác Natri Hidroxít

hay Kali Hidroxít để triglyceride phản ứng tạo ra ester và glyc erin Cuối cùng

là giai đoạn tách và làm sạch

Trong đó R‘, R“, R‘‘‘ là các acid béo no hoặc không no chứa trong dầu

thực vật, các acid hữu cơ chiếm chủ yếu trong dầu thực vật Jatropha như:

Linoleic: C18H32O2

Palmitic: C16H32O2

Oleic: C18H34O2

Để thực hiện phản ứng chuyển hóa này cần có chất xúc tác như NaOH,

hoặc KOH Vai trò của các chất xúc tác này rất quan trọng vì nó phản ứng với

Methanol trước để tạo tiền chất cho phản ứng :

Ph ản ứng 1: Tạo Alkoxide

CH 3OH + NaOH CH3O-Na + H2O Trong môi trường có nước alkoxide phân ly t ạo CH3O- và Na+, CH3O-

tiếp tục thực hiện phản ứng tiếp theo

Ph ản ứng 2: Tạo Triglyceride amion

Ph ản ứng 3: Tạo diglyceride và CH3O- tiếp tục cho các phản ứng dây

chuyền tiếp theo để tạo ra monoglyceride, methyl ester và cuối cùng tạo

glycerol methyl ester

Như vậy: trong quá trình này cứ 01 phân tử Triglyceride tác dụng với 03

phân tử CH3OH tạo ra 01 phân tử glycerol và 03 phân tử methyl ester

Hiện nay biện pháp được sử dụng rộng rãi và cho hiệu quả cao chính là

biện pháp este hoá dầu thực vật Dưới đây là quy trình công nghệ chung để xử

lý dầu thực vật bằng phương pháp este hoá

-Sơ đồ công nghệ ép lấy dầu từ hạt Jatropha [10]

Sơ đồ công nghệ xử lý dầu Jatropha thành Biodiesel [3], [4], [5], [15]

Ghi chú:

1 Thiết bị chứa Methanol 5 Thiết bị sấy

2 Thiết bị chứa dầu nguyên liệu 6 Thiết bị chứa sản phẩm

3 Thiết bị phản ứng(este hoá) 7 Thùng chứa nước

4 Thiết bị lắng tách, rửa

Cây Jatropha Hạt Jatropha Máy ép

dầu

Bã làm phân bón

Dầu Jatropha

đã lọc bớt tạp

chất

Chương 3

CƠ SỞ LÝ THUYẾT BIODIESEL – JATROPHA

3.1 Đặc tính chung Biodiesel [14], [15]

Biodiesel là những mono ankyl ester, nó là sản phẩm của quá trình

ester hóa của các axít hữu cơ có nhiều trong dầu mỡ động thực vật Nó là

nhiên liệu có thể thay thế cho dầu diesel truyền thống, sử dụng trong động

cơ đốt trong

Dưới tác dụng của chất xúc tác, dầu thực vật + methanol hoặc ethanol

cho sản phẩm ester + glycerine + axit béo (ester hóa dầu thực vật bằng

ethanol khó hơn bằng methanol)

Dầu trong hạt 66,4

Chất bã khơng thay đổi tính chất 3,8 Hydrocarbons/stereo ester 4,8 Triacycerols 13,2 Axít béo tự do 3,4 Diacylglycerols 2,5 Sterols 2,2 Monoacyglycerols 1,7 Polar lipids 2

B ảng 3.1 Thành ph ần hố học các chất và lipid trong Jatropha [16]

Thông thường biodiesel được sử dụng ở dạng nguyên chất hay dạng

hỗn hợp với dầu diesel Ví dụ như B20 là hỗn hợp gồm 20% biodiesel và

80% diesel có nguồn gốc dầu mỏ

Sau đây là bảng so sánh một số tính chất vật lý của Biodiesel B100

với Diesel [2],[16], [17], [18]:

• B100 là 1 dung môi tốt Nó có thể làm rã hoặc hòa tan cặn trong

thùng chứa hoặc trong hệ thống nhiên liệu Nếu hệ thống nhiên liệu

có cặn, cần phải làm sạch thùng chứa và hệ thống nhiên liệu trước

khi sử dụng B100

• B100 đóng băng ở nhiệt độ cao hơn hầu hết các loại diesel truyền

thống Hầu hết B100 bắt đầu vẫn đục trong khoảng 350F -600F vì thế

đường ống nhiên liệu và thùng chứa cần phải làm trơn trong những

vùng khí hậu ôn đới Khi B100 bắt đầu đặc quánh, tính nhớt tăng lên

và tăng đến mức cao hơn nhiều so với nhiên liệu diesel điều này có

thể tăng ứng suất trong hệ thống phun và bơm nhiên liệu Những

thuộc tính thời tiết lạnh là lý do lớn nhất khiến nhiều người chọn

biodesel pha loãng

• B100 không thích hợp với 1 vài loại đường ống và đệm cao su Nó

làm mềm và giảm tính chất của 1 số hợp chất cao su có trong đường

ống và đệm Ví dụ cao su buna N, nitril, cao su thiên nhiên và có thể

làm giảm tính chất của chúng đến mức rò rỉ và gãy vụn hoặc không

sử dụng được Điều này có làm tràn nhiên liệu ra khỏi động cơ nóng ,

làm nát bơm nhiên liệu, hoặc làm nghẹt bơm nhiên liệu Vì vậy nếu

sử dụng B100 thì cần chăm sóc động cơ nhiều hơn Đã có 1 số hệ

thống không sử dụng được lọai nhiên liệu này Nhưng không vì những

lý do trên mà nhiên liệu này không được sử dụng rộng rãi

• B100 thì không thích hợp với một vài kim loại và chất dẻo B100 sẽ

hình thành mức cặn cao nếu tiếp xúc 1 thời gian dài với đồng hoặc

các hợp kim của đồng như đồng thau, đồng đỏ hoặc với chì, thiếc,

kẽm, ví dụ những bề mặt lớp mạ bằng điện Mức cặn cao này có thể

gây ra nghẹt lọc Những hệ thống của động cơ diesel thì được chế tạo

là không chứa những chất này nhưng đôi khi có thể xảy ra ngoại lệ

Ví dụ sử dụng đường ống bằng đồng Trong 1 số trường hợp B100 có

thể thấm qua được 1 vài loại chất dẻo tiêu biểu sau 1 thời gian (

poliethylen, polipropylen) vì không dùng bình chứa bằng các chất này

để chứa B100 Có những thuộc tính hóa lý khác của biodiesel khác

nhau đáng kể so với diesel dầu mỏ và những điểm khác nhau này

cung cấp những lợi ích quan trọng Biodiesel chứa hàm lượng lưu

huỳnh thấp hơn diesel hiện nay trong khi tạo ra sự gia tăng đáng kể

sự bôi trơn Đa số các B100 đã đạt được các đạo luật mới của EPA

(US Environmental Protection Agency ) yêu cầu tất cả các nhiên liệu

động cơ diesel chạy trên đường phải chứa thành phần lưu huỳnh thấp

hơn 15 ppm ( phần triệu ) năm 2006 Trong tương lai những lọai nhiên

liệu diesel có lưu huỳnh cực thấp (Ultra low sulfur diesel-ULSD) sẽ

tạo ra những khó khăn trong việc bôi trơn Biodiesel nguyên chất

hoặc biodiesel pha lõang với ULSD có thể tăng tính bôi trơn từ 1% -

2% Biodiesel chứa tới 11% Oxy, trị số cetan cao điều này cung cấp

sự cháy hoàn toàn tốt và làm giảm nhiều khí thải

3.2 Nh ững ảnh hưởng của chỉ tiêu chất lượng Biodiesel đến quá trình hoạt

Độ nhớt động học ở 200

C (mm2/s) 78,2 78 61 58 60

B ảng 3.2 Chỉ tiờu Diesel và Biodiesel ở Việt Nam

– 2005)

Biodiesel (TCVN 7717 – 2007)

Chỉ số Cetane (*), min 46 46

Hàm lượng lưu huỳnh, mg/kg, max 500 500

Nhiệt độ chưng cất (o

C), 90% v/v, max 360 360 Điểm chớp chỏy cốc kớn (o

C), min 55 130

Độ nhớt động học ở 40oC (mm2/s) 2 ữ 4,5 2 ữ 6

Cặn carbon, 10% cặn chưng cất (%kl), max 0,3 0,3

Điểm đụng đặc (oC), max +6 -

Hàm lượng tro (%kl), max 0,01 0,01

Hàm lượng nước, mg/kg, max 200 200

Tạp chất dạng hạt, mg/l, max 10 -

Ăn mũn miếng đồng ở 50o

C, 3h, max Loại 1 Loại 1

Khối lượng riờng ở 15o

C (kg/m3) 820 ữ 860 860 ữ 900

Độ bụi trơn, àm, max 460 -

Ngoại quan Sạch, trong Sạch, trong

Hàm lượng este, % khối lượng, min - 96,5

Tro sulphát, % khối lượng, max - 0,020

Trị số axit, mg KOH/g,max - 0,50

Độ ổn định ôxy hoá, tại 110 oC, giờ,min - 6

Glycerin tự do, % khối lượng, max - 0,020

Glycerin tổng, % khối lượng, max - 0,240

Phospho, % khối lượng, max - 0,001

• ẹieồm chụựp lửỷa : là điều kiện an toaứn veà phoứng chaựy khi vaọn chuyeồn

vaứ lửu trửừ ẹieồm chụựp lửỷa cuỷa B100 thỡ tuứy tửứng loaùi nhửng cao hụn

diesel (1500C so với 700C) đảm bảo là nhà sản xuất đã lọai bỏ

methanol thừa trong quá trình sản xuất Sự tồn tại methanol thừa

trong nhiên liệu là vấn đề an toàn vì 1 lượng nhỏ của nó cũng làm

giảm nhiệt độ điểm chớp lửa Ngoài ra còn làm ảnh hưởng đến bơm

nhiên liệu, phớt, đệm và thuộc tính cháy nghèo

• Nước và cặn: cũng liên quan đến sự hiện diện của các hạt nước và

cặn tự do Mức độ cho phép đối với B100 cũng bằng với diesel

• Độ nhớt: B100 thường cĩ độ nhớt cao hơn so với Diesel Nhiên liệu có

độ nhớt quá cao có thể xảy ra cháy nghèo do việc phun tơi nhiên liệu

sẽ khó hơn, ngồi ra cịn gây mất mát động năng cho việc bơm nhiên

liệu và kim phun bị tắc Do đĩ hiện ra biện pháp chủ yếu hiện nay là

pha biodiesel với các tỷ lệ phù hợp với Diesel

• Tro sulphat: để đo lượng chất xúc tác alkali có trong biodiesel cũng

như các loại muội than khác hình thành trong hỗn hợp có thể kết hợp

với chất đọng lại trong kim phun hoặc trong hệ thống

• Lưu huỳnh: được giới hạn để làm giảm lượng sulfate và acid sulfuric

trong khí thải và để bảo vệ bộ xúc tác Nói chung biodiesel chứa lưu

huỳnh ít hơn 15 ppm

• Ăn mòn đồng (Cu): để chỉ ra những khó khăn tiềm tàng với những

hệ thống nhiên liệu bằng đồng và đồng đỏ Mặc dù đồng và đồng đỏ

không bị ăn mòn bởi biodiesel nhưng sự tiếp xúc lâu dài cùng với

chất xúc tác có thể làm giảm tính chất và gây ra đóng cặn

• Trị số cetan: thích hợp được yêu cầu để động cơ họat động tốt.Động

cơ diesel truyền thống cần trị số cetan tối thiểu là 46 Trị số cetan cao

đảm bảo khởi động tốt và giảm khói trắng

• Điểm vẩn đục: thì quan trọng để đảm bảo khởi động tốt trong điều

kiện nhiệt độ lạnh Điểm vẩn đục của B100 thì cao hơn diesel

• Lượng Cácbon còn lại: thì quan trọng để chỉ rõ lượng cácbon trong

mẫu thử biodiesel

• Chỉ số acid : chủ yếu chỉ ra các axit béo tự do (các sản phẩm cấp

thấp của axit béo và dầu tự nhiên) Chỉ số axit phải nhỏ hơn 0,8

• Chỉ số glyxerin và glyxerin tổng hợp: sự chuyển đổi không hoàn

toàn chất béo và dầu trong biodiesel có thể dẫn đến lượng glyxerin

và gluxerin tổng hợp cao Làm cho tắc kim phun và tăng độ khĩi khí

xả

• Lượng phốt pho: có thể gây hư bộ xúc tác Lượng phốt pho trong

Biodiesel phải nhỏ hơn 0,001% khối lượng

B ảng 3.4 Các axít béo có trong m ột số loại dầu [16], [17], [18]

Loại dầu

Axít béo Jatropha(%) Dầu cọ (%) Dầu hướng

dương(%)

Dầu đậu nành (%) Oleic (C18H34O2)

Chưa bão hoà 45,4 39,2 21,1 23,4

Không bão hoà 33 10,5 66,2 61

Trong quá trình este hoá lượng axít béo trong Diesel sinh học không

thay đổi Lượng axít béo trong Diesel sinh học có tác động trực tiếp đến sản

phẩm cuối cùng Diesel sinh học nào mà chứa nhiều xít béo hơn thì có trị số

cetane cao hơn, có nghĩa là nó sẽ cháy nhanh hơn trong buồng đốt Mặt khác,

lượng xít béo cao thì lại có nguy cơ gây ảnh hưởng bất lợi cho nhiên liệu khi

thời tiết lạnh

Khi nhiệt độ hạ xuống dưới 1,70

C, các phân tử chất béo bắt đầu cô đặc

lại Hiện tượng này có thể nhận biết khi thấy sự vẩn đục trong nhiên liệu Điều

này không chỉ có ảnh hưởng về mặt hình thức nhiên liệu Những đốm vẩn đục

này chứng tỏ nhiên liệu bắt đầu kết dính lại và có nguy cơ làm tắc các đường

cung cấp nhiên liệu cho động cơ Diesel sinh học làm từ dầu mỡ nấu ăn có

nhiều đốm vẩn đục hơn bởi chúng chứa nhiều chất béo bão hòa hơn so với

Diesel sinh học làm từ dầu thực vật

Thành phần axít béo của dầu được thể hiện trong bảng 3.4 với các loại

dầu thực vật như dầu Jatropha, dầu hướng dương, dầu cọ và dầu đậu nành Có

ba nhóm của các axit béo có thể được phân loại là axít béo bão hòa (Cn: 0),

axít béo chưa bão hoà (Cn: 1) và axít béo không bão hoà với hai hoặc ba liên

kết đôi (Cn: 2,3) Lý tưởng nhất là dầu thực vật nên có thành phần axít béo bão

hòa và axít không bão hoà thấp , đồng thời có lượng axít béo chưa bão hoà cao

Các loại dầu thực vật mà giàu axít béo không bão hoà như axit linoleic và

linolenic, như đậu tương, hướng dương (bảng 3.3), có xu hướng để cho nhiên

liệu hoá este methyl với sự ổn định oxy hóa kém Dầu thực vật với mức độ cao

thành phần chưa bão hoà có xu hướng có điểm đóng băng cao

Các axit béo trong dầu Jatropha bao gồm axít béo chưa bão hoà (45,4%),

tiếp theo là axit béo không bão hào (33%) và axit béo bão hòa (21,6%) Axít

béo chưa bão hào của Jatropha là cao hơn so với các loại dầu thực vật khác, do

đó nó có hệ số cetan cao hơn và khả năng cháy dễ dàng hơn Các axit béo chính

trong dầu Jaropha là oleic, linoleic, palmitic và axít béo Stearic Oleic axít cho

thấy tỷ lệ cao nhất của thành phần 42,8% tiếp theo là linoleic axít với 32,8%

Như vậy, dầu Jatropha có thể được phân loại như dầu oleic-linoleic So với

những loại dầu thực vật khác (bảng 3.3), dầu Jatrhopa có chứa oleic cao nhất so

với dầu cọ, hướng dương, dầu đậu nành

NOx là tên gọi chung của oxyde nitơ gồm các chất NO, NO2 và N2O hình

thành do sự kết hợp giữa oxy và nitơ ở điều kiện nhiệt độ cao Chất ô nhiễm

này ngày càng được quan tâm và trong một số trường hợp, nó là chất ô nhiễm

chính làm giới hạn tính năng kỹ thuật của động cơ

Thật vậy, một trong những xu hướng nâng cao tính kinh tế của động cơ

ngày nay là áp dụng kỹ thuật chế hòa khí phân lớp cho động cơ làm việc với

hỗn hớp nghèo Trong điều kiện đó, NOx là đối tượng chính của việc xử lý ô

nhiễm Mặt khác, việc xử lý NOx trong điều kiện đó gặp nhiều khó khăn vì bộ

xúc tác ba chức năng chỉ hoạt động có hiệu quả khi α = 1 Các giải pháp kỹ

thuật khác nhằm hạn chế NOx ngay trong quá trình cháy cũng đã được áp dụng

trên động cơ hiện đại: giải pháp hồi lưu khí xả, giải pháp thay đổi thời kỳ trùng

điệp của góc độ phối khí

Vì vậy, việc hiểu biết tường tận cơ chế hình thành NOx để tìm biện pháp

hạn chế nồng độ của chúng ngay trong quá trình cháy là cần thiết

B ảng 4.1 Mức độ phát sinh ô nhiễm trung bình của quá trình cháy nhiên

Đây là số liệu mang tính chất trung bình ở điều kiện cháy của hỗn hợp

có hệ số dư lượng không khí α=1 Tuy nhiên trong những điều kiện cháy đặc

biệt ở áp suất và nhiệt độ cao với hệ số dư lượng không khí lớn thì tỉ lệ thành

phần các chất ô nhiễm cho trong bảng trên đây thay đổi theo hướng gia tăng

NOx

4.1.2 Cơ chế hình thành Oxyde Nitơ

4.1.2.1 Cơ chế hình thành monoxyde nitơ

Trong họ N Ox thì NO chiếm tỉ lệ lớn nhất NO x chủ yếu do N2 trong

không khí nạp vào động cơ tạo ra Nhiên liệu xăng hay Diesel chứa rất ít nitơ

nên ảnh hưởng của chúng đến nồng độ NOxkhông đáng kể Nhiên liệu nặng sử

dụng ở động cơ tàu thủy tốc độ thấp có chứa khoảng vài phần nghìn nitơ (tỉ lệ

khối lượng) nên có thể phát sinh một lượng nhỏ NOx trong khí xả Sự hình

thành NO do oxy hóa nitơ trong không khí có thể được mô tả bởi cơ chế

Zeldovich Trong điều kiện hệ số dư lượng không khí xấp xỉ α=1, những phản

ứng chính tạo thành và phân hủy NO là:

O + N2 ⇔NO + N (4.1)

N + O2 ⇔NO + O (4.2)

N + OH ⇔NO + H (4.3)

Phản ứng (4.3) xảy ra khi hỗn hợp rất giàu NO tạo thành trong màng

lửa và trong sản phẩm cháy phía sau màng lửa Trong động cơ, quá trình cháy

diễn ra trong điều kiện áp suất cao, vùng phản ứng rất mỏng (khoảng 0,1mm)

và thời gian cháy rất ngắn; thêm vào đó, áp suất trong xilanh tăng trong quá

trình cháy, điều này làm nhiệt độ của bộ phận khí cháy trước cao hơn nhiệt độ

đạt được ngay sau khi ra khỏi khu vực màng lửa nên đại bộ phận NO hình

thành trong khu vực sau màng lửa

Hình 4.1: S ự phụ thuộc nồng độ NO theo nhiệt độ [1]

Sự hình thành NO phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ (hình 4.1) Hình 4.2

cho thấy mức độ tiến triển của phản ứng:

N2 + O2 ⇔2NO (4.4)

Hình 4.2: Bi ến thiên tỷ số NO 2 /NO theo t ải của động cơ Diesel [1]

Phản ứng tạo NO có tốc độ thấp hơn nhiều so với phản ứng cháy Nồng

độ NO cũng phụ thuộc mạnh vào nồng độ oxy Vì vậy trong điều kiện nhiệt độ

cao và nồng độ O2 lớn thì nồng độ NO trong sản phẩm cháy cũng lớn

10 20 (m/s)