Vnghiên cứu cấu trúc tập hợp giọt nhũ tương dầu

Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Văn Tuấn LỜI MỞ ĐẦU Ơ nhiễm khơng khí có mặt chất lạ biến đổi quan trọng thành phần khơng khí, làm cho khơng khí khơng gây tỏa mùi, có mùi khó chịu, gây ảnh hưởng tới sức khỏe người môi trường sinh thái Hiện nay, nhiễm khí vấn đề thời nóng bỏng cá giới riêng quốc gia Môi trường khí có nhiều biến đổi rõ rệt có ảnh hưởng xấu đến người sinh vật Hàng năm người khai thác sử dụng hàng tỉ than đá, dầu mỏ, khí đốt Đồng thời thải vào môi trường khối lượng lớn chất thải khác nhau, làm cho hàm lượng loại khí độc hại tăng lên nhanh chóng Đáng quan tâm khí thải loại động chạy với nguyên liệu diesel xăng Ngày giới có xu hướng diesel hóa loại động cơ, nhiên liệu diesel sử dụng ngày nhiều so với nhiêu liệu xăng Cụ thể theo thống kê Mỹ có tới 94% động chạy nguyên nhiên liệu diesel, Việt Nam 21, 7% Sỡ dĩ động có ưu điểm vượt trội so với động xăng momen xoắn cao, bền, đặc biệt khả trì cơng suất điều kiện hoạt động rộng Chi phí để sản xuất nhiên liệu diesel rẽ nhiều so với nhiêu liệu xăng khơng phải sử dụng q trình chế biến phức tạp Khi sử dụng, ta tiết kiệm 1/3 lượng nhiên liệu nồng độ khí CO2 sinh khí thải động diesel so với động xăng điều kiện vận hành tương đương Tuy nhiên, bên cạnh ưu điểm không bàn nhược điểm mà động gây người mơi trường sinh thái hàm lượng NOx, PM, CO, muội, …trong khí thải cao Đã có nhiều điều luật ban hành nhằm giảm tải hàm lượng khí thải sinh động diesel :Liên minh Châu Âu ban hành điều luật Euro có hiệu lực năm 2005 yêu cầu giảm PM khí thải tới 90% cho đời động diesel mới, Mỹ quan bảo vệ môi trường EPA có ban hành điều luật HDE 2007 động diesel phải giảm hàm lượng PM khí thải từ 85 – 90% NOx phải giảm 25 – 30% [15, 16] Để thực yêu cầu nghiêm ngặt mơi trường, có nhiều biện pháp đề nghị như: sử dụng thiết bị bẫy hạt, xúc tác oxy hóa, xúc tác có tính lựa chọn (SCR), thiết bị tuần hồn khí thải (ERG), sử dụng GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Trịnh Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Văn Tuấn nhiên liệu sinh học biodiesel thay cho nhiên liệu thông thường…Nhược điểm phương pháp đắt, kết cấu động bị thay đổi, biện pháp sử dụng thiết bị bẫy hạt sử dụng cho động diesel cỡ nhỏ Đứng trước thực trạng khó khăn vậy, thay phải tìm giải pháp phức tạp bắt trước thành công hai loại nhiên liệu nhũ tương sử dụng phổ biến là: nhũ tương dầu FO nhũ tương bitum chẳng có lý để ngăn cản chế tạo loại nhũ tương diesel để thay cho nhiên liệu diesel Loại nhũ tương nhiều nước giới nghiên cứu sản phẩm thương mại hóa như: PuriNO x tập đồn Lubrizol (Mỹ), Aquazole Totalfinaele (Pháp)…, sử dụng thực tế: toàn hệ thống xe buýt London chuyển sang sử dụng loại nhiêu liệu từ năm 2003, loại xe tải đường dài California Vì việc hoàn thiện phẩm cấp nhiên liệu diesel trở nên cấp thiết hết Để góp phần giải vấn đề này, chúng em tiến hành nghiên cứu hệ nhũ tương nước - diesel, dạng nhiên liệu với mong muốn đáp ứng nhu cầu người an tồn mơi trường  Mục đích đề tài Đề tài nghiên cứu vấn đề đưa nước vào nhiên liệu diesel dạng nhũ tương nhằm giảm khói thải độc hại động diesel, gây độc hại sức khỏe cộng đồng giảm lượng khí NOX, cặn cải thiện hiệu cháy nhiên liệu giúp môi trường Ngồi ưu điểm đó, phương pháp có q trình thực cách đơn giản, với việc sử dụng nhiên liệu động diesel mà không cần thay đổi động Trong đồ án chúng em tập trung nghiên cứu tìm hỗn hợp chất nhũ hòa chất ổn định nhũ phù hợp cho hệ, tỉ lệ tối ưu chúng, xác định hàm lượng nước tối ưu đưa vào mà nhiên liệu ổn định thời gian dài Có thể nói nhánh nghiên cứu quan trọng nỗ lực tìm kiếm nguồn nhiên liệu thân thiện với môi trường ý nhiều nước ta GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Trịnh Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Văn Tuấn Chương I TỔNG QUAN LÝ THUYẾT I TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU DIESEL I.1 Nguồn gốc, đặc điểm thành phần I.1.1 Nguồn gốc đặc điểm Nhiên liệu dieslel sản phẩm q trình chưng cất dầu thơ, sử dụng chủ yếu cho động diesel – loại động phổ biến công nghiệp giao thơng vận tải Có thể nói, nhiên liệu diesel ngày chiếm vị trí quan trọng đời sống hàng ngày nhờ ưu điểm nó, xu hướng phát triển giới diesel hóa loại động Khi so sánh nhiên liệu diesel (hay gọi dầu diesel) với loại nhiên liệu phổ biến khác xăng, dễ dàng nhận khác biệt Chúng có mùi khác diesel nặng có độ nhớt (tinh dầu) lớn xăng, tỷ trọng diesel 850 g/l xăng vào khoảng 720 g/l, nhỏ 15% Do vậy, điều kiện thường, diesel bay chậm xăng – nhiệt độ sơi diesel chí cịn thấp nước Khi cháy trung bình lít nhiên liệu diesel tỏa khoảng 40, MJ xăng 34, MJ, nhỏ 15% Điều kết hợp với công suất cao động diesel, giải thích động diesel lại quãng đường xa động xăng tiêu hao lượng nhiên liệu I.1.2 Thành phần Diesel chưng cất từ dầu thô chứa khoảng 75% hidrocacbon no (chủ yếu nparafin, iso- parafin xycloparafin), 25% lại hidrocacbon thơm (naphtalen alkybenzen) Nó cịn gọi phân đoạn gasoil nhẹ, có khoảng nhiệt độ sôi từ 250 đến 350 oC áp suất khí quyển(có thể mở rộng hay thu hẹp tùy yêu cầu sản xuất) Do chất trình cháy động diesel nên cấu tử tốt cho nhiên liệu diesel hidrocacbon n-parafin Các hidrocacbon dạng naphten mạch nhánh có chất lượng hidrocacbon thơm GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Trịnh Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Văn Tuấn Ngồi ra, nhiên liệu diesel cịn có chứa số phụ gia nhằm cải thiện chất lượng nhiên liệu phụ gia cải thiện trị số xetan, phụ gia chống đông đặc… I.2 Phân loại nhiên liệu diesel Chất lượng loại diesel buôn bán thị trường phụ thuộc nhiều vào công nghệ lọc dầu nguồn gốc chất lượng dầu thô  Phân loại nhiên liệu diesel dựa theo số vòng quay động trị số xetan nhiên liệu : Theo cách phân loại này, có nhóm nhiên liệu diesel : - Nhóm 01 : Nhiên liệu diesel dùng cho động cao tốc, phân thành loại nhiên liệu :  Loại super : có trị số xetan 50 phạm vi độ sôi 180 đến 320 oC dùng cho động tốc độ cao xe buýt, xe hàng, xe tải Loại thường sản xuất từ phân đoạn gasoil chưng cất trực tiếp  Loại thường : có trị số xetan 52 phạm vi độ sôi rộng hơn, từ 175 đến 345 oC, thường sản xuất cách pha trộn theo tỷ lệ hợp lý phân đoạn naphtan, kerosene gasoil nặng dây chuyền chế biến sâu cracking, hydrocracking Nhiên liệu dùng cho động siêu tốc, chất lượng loại super - Nhóm 02: Nhiên liệu diesel cho động tốc độ thấp địi hỏi có tiêu chuẩn chất lượng tương tự nhiên liệu cho động cao tốc, trị số xetan chúng hơn, 40 đến 50, độ bay thấp, điểm sôi cuối cao  Phân loại nhiên liệu diesel theo hàm lượng lưu huỳnh:  Theo TCVN 5689- 1997, dựa vào hàm lượng lưu huỳnh phân chia nhiên liệu diesel thành loại sau:  Nhiên liệu diesel có hàm lượng lưu huỳnh khơng lớn 0, % khối lượng, ký hiệu DO 0, % S  Nhiên liệu diesel có hàm lượng lưu huỳnh từ lớn 0, đến 1, % khối lượng, ký hiệu DO 1% S GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Trịnh Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Văn Tuấn I.3 Quá trình cháy động diesel Bên cạnh ưu điểm đề cập trên, động diesel cịn có nhược điểm gây tiếng ồn, nồng độ khí NO X , PM, CO ….trong khí thải tương đối cao (so với nhiên liệu xăng) gây ô nhiễm môi trường ảnh hưởng đến sức khỏe người Các khí tạo yếu tố nhiệt động học trình cháy nhiên liệu động Để hiểu rõ chất cháy loại nhiên liệu trước hết phải xem xét nguyên lý làm việc động diesel I.3.1 Nguyên lý làm việc Động diesel làm việc theo nguyên tắc 04 kỳ động xăng, khác động xăng chỗ: Trong động xăng: hỗn hợp nhiên liệu khơng khí bốc cháy sau nến điệm điểm lửa; động diesel, hỗn hợp nhiên liệu đưa vào xylanh, khơng khí nén trước có nhiệt độ cao, nhiên liệu tự bốc cháy Động xăng có tỷ số nén thấp so với động diesel (tỷ số nén là tỷ số thể tích xylanh piston nằm vị trí điểm chết so với phần thể tích chết phần trên) Với động xăng, tỷ lệ từ 7/1 đến 11/1, động diesel từ 14/1 đến 17/1; Vì động diesel có cơng suất lớn động xăng tiêu hao lượng nhiên liệu Hình 1: Mơ tả buồng đốt động diesel GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Trịnh Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Văn Tuấn  Nguyên tắc: Hành trình động diesel theo 04 chu kỳ: hút, nén, cháy, thải Khi piston từ điểm chết xuống điểm chết dưới, van nạp mở ra, khơng khí hút vào xylanh; sau van nạp đóng lại; piston lại từ điểm chết lên điểm chết trên, thực q trình nén khơng khí Do bị nén, áp suất tăng, dẫn đến nhiệt độ tăng, tới 500 đến 700 o C Khi piston đến gần điểm chết trên, nhiên liệu phun vào xylanh (nhờ bơm cao áp) dạng sương, gặp không khí nhiệt độ cao tự bốc cháy Khi cháy, áp suất tăng mạnh đến đẩy piston từ vị trí điểm chết thực q trình dãn nở sinh cơng có ích truyền qua hệ thống truyền làm chạy máy Piston sau lại từ điểm chết lên điểm chết để thải sản phẩm cháy qua van thải tiếp tục thực hành trình I.3.2 Bản chất trình cháy Nhiên liệu sau phun vào xy lanh khơng tự cháy ngay, mà phải có thời gian để oxy hóa sâu hydrocacbon nhiên liệu, tạo hợp chất chứa oxy trung gian, có khả tự bốc cháy Khoảng thời gian gọi thời gian cảm ứng hay thời gian cháy trễ Thời gian cảm ứng ngắn tốt, lúc nhiên liệu cháy điều hịa Như vậy, để có thời gian cháy trễ ngắn nhiên liệu phải có nhiều chất n- parafin, cấu tử dễ bị oxy hóa, tức dễ tự bốc cháy Cịn iso-parafin hợp chất hydrocacbon thơm khó bị oxy hóa nên thời gian cháy trễ dài, khả tự bốc cháy I.4 Quá trình hình thành khí thải động diesel I.4.1 Độc tố khói khí xả Tất động đốt nói chung động diesel nói riêng gây tiếng ồn làm bẩn môi trường, đặc biệt khí xả  Khí xả động diesel: Trong thành phần khí xả gồm có chất khơng tham gia vào q trình cháy, sản phẩm cháy hồn tồn khơng hồn tồn nhiên liệu oxit nitơ Hàm lượng % theo thể tích chúng sau: GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Trịnh Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Văn Tuấn Bảng : Thành phần khí thải động diesel (% thể tích) Nitơ 76 Hơi nước 0, ¿ Khí sunfurơ 0.003 ¿ Oxít cácbon 0, 01 ¿ Cácbua hydro 78 ¿ Oxy ¿ 15 Khí cácboníc ¿ 14 0, Hydro 0, Anđêhít 0, 001 ¿ 0, 05 0, 01 ¿ 1, 0, 009 ¿ 0, Muội, g/m 05 0, 002 ¿ 0, Oxit nitơ ¿ 0,  Độc tố khí xả Độc tố khí xả xác định hàm lượng chất oxi nitơ, oxit cácbon, anđêhít, hydrocácbon mạch hở hydrocácbon mạch vịng, khí sunfurơ có khí thải Oxit nitơ loại độc tố nguy hiểm Chúng hình thành thể người hợp chất nitơ axít xianua (HCN), gây kích thích niêm mạc mắt đường hơ hấp Khi hàm lượng tính theo thể tích 0, 004 ¿ 0, 008 % có mặt mơi trường gây tượng phù phổi Oxít cácbon loại độc tố Khi hàm lượng tính theo thể tích có mơi trường 0, 005% sau gây ngộ độc nhẹ, cịn hàm lượng đến 1% sinh vật bất tỉnh sau vài lần hít thở Do độc tính cao ơxít nitơ oxít cácbon nên hàm lượng chúng khí thải phải hạn chế theo quy địng quốc gia cần phải tiêu chuẩn hóa chất độc hại thải môi trường (NO X hay CO) Khối lượng đơn vị tỷ số khối lượng chất độc hại hình thành sau làm việc động diesel với cơng suất (g/kWh) Tương ứng tiêu chuẩn quốc gia khối lượng đơn vị oxit cácbon khí xả động diesel khơng vượt 10 g/kWh Giới hạn cho phép khối lượng đơn vị oxit nitơ thay đổi từ 11 đến 29 g/kWh GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Trịnh Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Văn Tuấn Anđêhít (chủ yếu fomalđêhít acrơlein) bổ sung cho khí xả mùi khó ngửi Theo thứ tự độc tố chúng xếp sau NO X Hàm lượng cho phép fomalđêhít (HCHO) khơng khí giới hạn khoảng mg/m khoảng 0, 25 mg/m 3 , cịn acrơlein giới hạn Hàm lượng chúng khí xả tăng lên chế độ tải nhỏ không tải nhiệt độ cực đại môi chất xylanh giảm xuống Cácbua hydro chất độc hại, số chúng xả môi trường gây nên sương mù Cácbua hydro hình thành vùng có hàm lượng oxy nhỏ, gần với vách lạnh buồng cháy Nếu khí xả có màu trắng hay màu xanh lam chứng tỏ có cácbua hydro Bồ hóng hay hình thành từ cacbon nhiên liệu diesel, kết q trình cháy khơng hồn tồn cục Nếu xét bồ hóng đơn tạp chất học khí mức độ gây nhiễm mơi trường khơng đáng kể Chính hydrocácbon thơm mạch vịng (PAH) hấp thụ bề mặt bồ hóng có khả gây ung thư đáng quan tâm Oxit lưu huỳnh hình thành q trình cháy nhiên liệu có lưu huỳnh, độc tố Khi hàm lượng có mơi trường tính theo thể tích 0, 0007 ¿ 0, 001 % tác động xấu lên cuống họng, hàm lượng 0, 4% sinh vật chết sau giây  Khói khí xả: Chủ yếu hình thành hàm lượng muội khí xả Muội hình thành phân rã phân tử nhiên liệu tác động nhiệt độ cao thiếu oxy Muội tạo thành khí xả động diesel có dạng hạt vơ định hình, có kích thước khoảng 0, ¿ 0, μ m Phần lớn muội cháy hết trình giãn nở, muội cháy hết nhờ tăng cường tạo rối khí nạp xylanh Với hydrocacbon mạch thẳng tốc độ hình thành hạt muội tăng lên tăng khối lượng phân tử Khuynh hướng hình thành muội lớn hydrocacbon thơm, cịn hình thành muội nhỏ hydrocacbon no (parafin thường) Đo khói theo tiêu chuẩn quốc gia thực nhờ thiết bị đo khói quang điện Giá trị tới hạn khói khí xả động diesel ứng với tiêu chuẩn quốc gia phụ GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Trịnh Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Văn Tuấn thuộc vào suất tiêu hao khơng khí, dm /s Khi giảm suất tiêu hao khí đến giới hạn cho phép khói tăng lên Khói khí xả xác định q trình nghiên cứu thử nghiệm động diesel Hạn chế khói khơng theo quan điểm bảo vệ mơi trường, mà cịn bảo vệ động Một phần muội rơi vào dầu bôi trơn, phủ lên mặt xylanh, làm bẩn dầu bôi trơn Muội có khí xả nguyên nhân phá hỏng xupap xả Khối lượng chất lắng đọng piston thời gian đến lúc kết cốc rãnh xécmăng phụ thuộc vào khói khí xả Mặt khác, tăng khói khí xả chứng tỏ cháy khơng hồn toàn, nên giảm hiệu suất thị động I.4.2 Cơ chế hình thành a) Sự hình thành NO NO ám hỗn hợp oxít nitơ, chủ yếu NO (chiếm 90%) X lại khí NO NO : X , N O, chủ yếu hình thành phản ứng oxy nitơ khơng khí có mặt X hỗn hợp tác dụng nhiệt độ cao  Cơ chế hình thành NO: Có nhiều giả thiết khác hình thành NO chế Zeldovich mở rộng ứng dụng rộng rãi Cơ chế bao gồm 03 phản ứng thuận nghịch: O+N ↔ NO + N (1) N+O ↔ NO + O N+ OH ↔ NO + H (2) (3) Các số phản ứng cho bảng sau: Bảng : Các số phản ứng giai đoạn hình thành khí NO Phản ứng Kthuận Kngược (1) 7, 6.103 exp(-38000/T) 1, 6/1013 (2) 6, 4.109 T.exp(-3150/T) 1, 5.109 T.exp(-19500/T) (3) 4, 1.103 2.1014 exp(-23650/T) GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Trịnh Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Văn Tuấn Phản ứng (3) chủ yếu xảy vùng giàu nhiên liệu Các phản ứng khác diễn mạnh khu vực màng lửa vùng khí cháy Trong động cơ, tác dụng áp suất cao, bề dày màng lửa bé tồn thời gian ngắn nên đại phận NO hình thành màng lửa Tuy nhiên, phận NO hình thành màng lửa có khả tạo chất họ NO X Từ phân tích đây, nhận thấy tốc độ hình thành NO chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ môi chất nồng độ oxy  Cơ chế hình thành NO : NO hình thành màng lửa nhanh chóng phản ứng với gốc HO trung gian trình cháy) để biến thành NO NO + HO Tuy nhiên, NO 2 NO ↔ (chất theo phản ứng: + OH 2 (4) tồn không bền vững khu vực nhiệt độ cao, dễ dàng biến thành NO: NO +O NO + O ↔ (5) Vì vậy, động làm việc chế độ không tải hay chế độ tải thấp, khu vực hình thành NO làm mát vận động dịng khí nhiệt độ thấp buồng cháy nên phản ứng (5) khơng diễn ra, nồng độ NO Ở điều kiện làm việc bình thường, NO gia tăng chiếm tỷ lệ thấp động xăng động diesel, tỷ lệ đạt đến 30%  Cơ chế hình thành protoxide nitơ N O: Protoxide nitơ chủ yếu khu vực lửa tác dụng NO chất trung gian vật cháy NH, NCO: NH + NO NCO + NO ↔ N N ↔ 2 O+H (6) O + CO (7) Vì khu vực oxy hóa có diện nguyên tử hydro tự nên N O nhanh chóng bị phân hủy: GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Trịnh