Nghiên cứu giải pháp sử dụng nhiên liệu diesel sinh học nguyên chất làm nhiên liệu cho đội tàu trung chuyển container khu vực sông sài gòn và lân cận

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM oOo VŨ VĂN TUẤN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP SỬ DỤNG DIESEL SINH HỌC NGUYÊN CHẤT LÀM NHIÊN LIỆU CHO ĐỘI TÀU TRUNG CHUYỂN CONTAINER KHU VỰC SƠNG SÀI GỊN VÀ LÂN CẬN CHUYÊN NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ TÀU THỦY MÃ SỐ: 62 84 01 06 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS HOÀNG ANH TUẤN TP HCM 12 - 2017 LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sỹ hoàn thành năm 2017 trường Đại học giao thơng vận tải thành phố Hồ Chí Minh Trong trình thực luận văn, em nhận giúp đỡ nhiệt tình gia đình, bạn bè, thầy cô giáo Viện đào tạo Sau Đại học Trường Đại học giao thông vận tải Hồ Chí Minh, thầy khoa Máy Tàu Biển Trong đó, khơng thể khơng kể đến vai trị quan trọng thầy TS Hoàng Anh Tuấn, người tận tình giúp đỡ, hỗ trợ hướng dẫn em tiến hành nghiên cứu hoàn thành Luận văn Do thời gian nghiên cứu đề tài Luận văn không dài, kiến thức nguồn thơng tin cịn hạn chế, Luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót định Vì vậy, em mong nhận góp ý, nhận xét thầy giáo, đồng nghiệp bạn học viên để Luận văn hoàn thiện Tác giả Ks Vũ Văn Tuấn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tôi xin cam đoan thông tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Tác giả Ks Vũ Văn Tuấn MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN i MỞ ĐẦU .1 Tính cấp thiết đề tài Mục đích nghiên cứu yêu cầu đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu .5 Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiến CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Quá trình phát triển sử dụng động diesel Thế giới việt Nam .7 1.2 Tổng quan nhiên liệu sử dụng cho động diesel tàu thủy 1.3 Tình hình nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay Thế giới Việt Nam Tình hình nghiên cứu Thế giới Tình hình nghiên cứu Việt Nam 11 1.4 Kết luận chương .13 CHƯƠNG : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14 2.1 Tính chất nhiên liệu 14 Tính chất nhiên liệu diesel (DO) 14 Tính chất nhiên liệu thay biodiesel .19 Tính chất nhiên liệu Jatropha 20 2.2 Cơ sở lý thuyết sử dụng nhiên liệu biodiesel thay nhiên liệu diesel 24 Xây dựng thuộc tính thơng số nhiệt động nhiên liệu biodiesel theo nhiệt độ 24 2.2.1.1 Khối lượng riêng ρ 25 2.2.1.2 Độ nhớt động học µ 25 2.2.1.3 Sức căng bề mặt σ 27 Các giải pháp sử dụng nhiên liệu diesel sinh học nguyên chất làm nhiên liệu cho động diesel 28 2.3 Cơ sở lý thuyết tính tốn, thiết kế thiết bị hâm nóng nhiên liệu biodiesel nguyên chất 30 Phân tích phương án tận dụng nhiệt thải từ nước làm mát động 30 Phân tích lựa chọn thiết bị trao đổi nhiệt 35 2.3.2.1 Các khái niệm 35 2.3.2.2 Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt 36 Các yêu cầu kỹ thuật chung cho thiết bị trao đổi nhiệt 39 2.3.3.1 Các yêu cầu kỹ thuật chung cho thiết bị trao đổi nhiệt 39 2.3.3.2 Các nguyên tắc lựa chọn công chất 39 2.3.3.3 Chọn sơ đồ chuyển động hai chất lỏng .40 2.3.3.4 Các nguyên tắc chọn chất lỏng chảy ống .40 2.3.3.5 Chọn tốc độ dịng cơng chất .41 Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt kiểu 41 2.3.4.1 Khái quát chung thiết bị trao đổi nhiệt kiểu 41 2.3.4.2 Cơ sở lý thuyết chung cho hai toán thiết kế TBTĐN kiểu 45 Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống 54 2.3.5.1 Khái quát chung thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống 54 2.3.5.2 Cơ sở lý thuyết chung cho hai toán thiết kế TBTĐN kiểu chùm ống 64 2.4 Kết luận chương .68 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM .70 3.1 Xây dựng mơ hình thực nghiệm 70 Mục đích phạm vi thử nghiệm 70 3.1.1.1 Mục đích thử nghiệm .70 3.1.1.2 Phạm vi thử nghiệm 70 Sơ đồ bố trí thiết bị thử nghiệm 70 3.1.2.1 Sơ đồ bố trí thử nghiệm 70 3.1.2.2 Thiết bị thử nghiệm 71 Đối tượng thử nghiệm .80 Điều kiện quy trình thử nghiệm 81 3.1.4.1 Điều kiện thử nghiệm .81 3.1.4.2 Quy trình thử nghiệm .81 3.2 Phân tích đánh giá kết thử nghiệm 82 Mô men động cơ, Me (N.m) .82 Công suất động cơ, Ne (kW) 83 Suất tiêu hao nhiên liệu, ge (g/kW.h) 84 Hàm lượng phát thải 86 3.2.4.1 Phát thải COx 86 3.2.4.2 Phát thải NOx 88 3.2.4.3 Phát thải HC .90 3.2.4.4 Phát thải khói (BN) 92 3.3 Kết luận chương .93 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO 96 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu HC Diễn giải Hydrocarbon TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam QCVN Quy chuẩn Việt Nam CNG Khí thiên nhiên nén LNG Khí thiên nhiên hóa lỏng LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng IMO Tổ chức hàng hải quốc tế MDO Dầu chưng cất dùng cho tàu thủy SVO Dầu thực vật dùng trực tiếp MGO Tương đương với dầu diesel số Dầu diesel nhẹ, dùng cho thiết bị cố DMX ISO tàu Tổ chức tiêu chuẩn giới DMA Dầu diesel loại tạp chất DMB Dầu diesel có hàm lượng lưu huỳnh cao DMC Dầu diesel có nhiều tạp chất ASTM Tiêu chuẩn Mỹ NLSH Nhiên liệu dinh học CN Trị số xê tan nhiên liệu CP Điểm vẩn đục nhiên liệu PP Điểm đông đặc nhiên liệu Chỉ số chì hỗn cháy với nhiên liệu diesel có CCAI TNTĐN chứa tạp chất Thiết bị trao đổi nhiệt Ghi DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Phân loại động diesel tàu thủy .7 Bảng 2.1 Thông số đặc trưng dầu diesel số (DO) 14 Bảng 2.2 Nhiên liệu tàu thủy theo tiêu chuẩn ISO 8217:2005 15 Bảng 2.3 Tiêu chuẩn nhiên liệu diesel hóa thạch 19 Bảng 2.4 Tính chất nhiên liệu Jatropha .21 Bảng 2.5 Tiêu chuẩn diesel sinh học nguyên chất JOME100 .24 Bảng 2.6 Khoảng giá trị hợp lý vận tốc công chất 41 Bảng 2.7 Bảng tính tốn thiết kế TBTĐN kiểu .49 Bảng 2.8 Bảng tính tốn thiết kế TBTĐN kiểu ống .65 Bảng 3.1 Các thông số động diesel D243 80 Bảng 3.2 Giá trị mô men động .82 Bảng 3.3 Giá trị công suất động 83 Bảng 3.4 Suất tiêu hao nhiên liệu theo đặc tính ngồi .84 Bảng 3.5 Hàm lượng phát thải CO, ppm 86 Bảng 3.6 Hàm lượng phát thải CO2, ppm 87 Bảng 3.7 Hàm lượng phát thải NOx, ppm 89 Bảng 3.8 Hàm lượng phát thải HC, ppm 90 Bảng 3.9 Chỉ số phát thải khói 92 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Tỷ trọng sản xuất (a) tiêu thụ (b) biodiesel giới theo khu vực năm 2010 10 Hình 1.2 Tỉ lệ sử dụng dầu sinh học nước phát triển năm 2006 11 Hình 2.1 Cấu trúc phân tử diessel sinh học gốc 20 Hình 2.2 Cấu trúc phân tử dầu sinh học gốc .20 Hình 2.3 Quy trình sản xuất diesel sinh học nguyên chất 22 Hình 2.4 Đồ thị khối lượng riêng – nhiệt độ ρ =ρ(T) 25 Hình 2.5 Đồ thị độ nhớt – nhiệt độ µ =µ(T) 26 Hình 2.6 Đồ thị sức căng bề mặt – nhiệt độ σ =σ(T) .27 Hình 2.7 Sơ đồ hệ thống chưng cất nước tận dụng nhiệt nước làm mát 32 Hình 2.8 Sơ đồ hệ thống chuẩn bị nhiên liệu biodieselvới hâm nước làm mát sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu 33 Hình 2.9 Sơ đồ hệ thống chuẩn bị nhiên liệu biodiesel với hâm nước làm mát sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm 34 Hình 2.10 Sơ đồ khối TBTĐN 35 Hình 2.11 Sơ đồ song song 37 Hình 2.12 Sơ đồ song song đổi chiều 37 Hình 2.13 Sơ đồ giao nhiều lần .38 Hình 2.14 Sơ đồ cắt 38 Hình 2.15 Sơ đồ cấu tạo thiết bị nhiệt kiểu .42 Hình 2.16 Cấu tạo trao đổi nhiệt .43 Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý hoạt động tổng quát thiết bị trao đổi nhiệt kiểu 44 Hình 2.18 Sơ đồ bố trí dịng chảy thiết bị (dịng chảy đơn) 44 Hình 2.19 Sơ đồ bố trí dòng chảy thiết bị (dòng chảy kép) 45 Hình 2.20 Sơ đồ chuyển động dịng cơng chất nóng, lạnh TBTĐN kiểu 45 Hình 2.21 Sơ đồ nguyên lý hoạt động thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm 55 Hình 2.22 Sơ đồ cấu tạo chung thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm 56 Hình 2.23 Hình dạng mặt sàng ống truyền nhiệt điển hình 57 Hình 2.24 Kết cấu thiết bị ống chùm với mặt sàng kép 57 Hình 2.25 Tấm chắn dòng đặt sát cửa 58 Hình 2.26 Một sơ đồ bố trí chia khoang 60 Hình 2.27 Một số kiểu hình dạng bố trí vách ngăn, chùm ống thơng dụng (dạng hình viên phân đơn) 61 Hình 2.28 Một số kiểu hình dạng bố trí vách ngăn, chùm ống thơng dụng (dạng hình viên phân kép) 61 Hình 2.29 Một số kiểu hình dạng bố trí vách ngăn, chùm ống thơng dụng (dạng hình đơn bó ống không đầy tiết diện) .61 Hình 2.30 Sơ đồ dịng chảy tương ứng với bố trí vách ngăn 62 Hình 2.31 Cấu tạo số thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm thông dụng 64 Hình 2.32 Sơ đồ chuyển động dịng cơng chất nóng, lạnh TBTĐN kiểu ống chùm .65 Hình 3.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm băng thử động lực cao ETB 71 Hình 3.2 Phịng thử nghiệm động D243 .72 Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý làm mát nước AVL 553 73 Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý thiết bị làm mát dầu AVL 554 .74 Hình 3.5 Bộ điều khiển tay ga THA100 74 Hình 3.6 Sơ đồ xác định lượng nhiên liệu tiêu thụ cho động D243 75 Hình 3.7 Mơ hình tủ CEB–II 76 Hình 3.8 Sơ đồ cấu tạo phận phân tích khí CO 77 Hình 3.9 Sơ đồ cấu tạo phân tích NO NOx 78 Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo HC 79 Hình 3.11 Cấu hình thiết bị SPC 472 .80 Hình 3.12 Đồ thị mơ men – vịng quay Me = f (n) 82 Hình 3.13 Đồ thị cơng suất – vịng quay Ne = f (n) .83 82 Sau hâm nóng diesel sinh học nguyên chất, bật bơm tuần hoàn để dầu tuần hoàn vào thiết bị hâm tận dụng nước làm mát với mục đích giảm ứng suất nhiệt thiết bị; Đo tiêu kinh tế, kỹ thuật phát thải động D243 với diesel sinh học nguyên chất từ Jatropha chế độ đặc tính tải đặc tính ngồi động cơ, so sánh đối chứng với nhiên liệu DO Mỗi điểm đo thực 03 lần lấy kết trung bình 3.2 Phân tích đánh giá kết thử nghiệm Mô men động cơ, Me (N.m) Bảng 3.2 Giá trị mơ men động Vịng quay 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 Me_DO 261.87 271.87 291.37 293.87 287.93 268.07 244.37 Me_JOME100 241.50 248.97 259.75 269.47 264.30 241.83 221.50 Me_JO100 235.49 243.15 254.78 261.83 257.67 237.36 219.74 Đồ thị mơ men-vịng quay Me_DO Me_JOME100 Me_JO100 350,000 300,000 Mô men (N.m) 250,000 200,000 150,000 100,000 50,000 ,000 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 Vòng quay (v/p) Hình 3.12 Đồ thị mơ men – vịng quay Me = f (n) 2400 83 Từ hình 3.12 bảng 3.2 cho thấy, giá trị mômen động không thay đổi nhiều thay đổi loại nhiên liệu khác nhau, nhiên giá trị mômen đạt cực đại động sử dụng loại nhiên liệu vòng quay n = 1600 vòng/phút Tại vòng quay giá trị mô men động sử dụng dầu JO100 JOME100 nhỏ giá trị mô men động sử dụng dầu DO 10,90% 8,30% Đặc tính thay đổi mơmen động sử dụng diesel sinh học nguyên chất JOME100 dầu JO100 tương tự nhiên liệu dầu DO Cụ thể giá trị mô men động dùng dầu sinh học gốc JO100 nhỏ dầu DO khoảng (10,07-12,56)%, tính tồn dải tốc độ 10,88% Giá trị mô men động dùng dầu JOME100 nhỏ dầu DO khoảng (7,78-10,85)%, tính tồn dải tốc độ 8,96% Công suất động cơ, Ne (kW) Bảng 3.3 Giá trị cơng suất động Vịng quay 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 Ne_DO 27.42 34.17 42.72 49.24 54.27 56.15 56.08 Ne_JOME100 25.98 31.91 38.64 44.31 48.74 51.37 50.96 Ne_JO100 23.39 29.26 36.27 42.11 46.57 49.12 48.78 Đồ thị cơng suất-vịng quay Ne_DO Cơng suất kW 60,000 Ne_JOME100 Ne_JO100 50,000 40,000 30,000 20,000 10,000 ,000 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 vòng quay (v/p) Hình 3.13 Đồ thị cơng suất – vịng quay Ne = f (n) 84 Hình 3.13 bảng 3.3 cho thấy công suất động sử dụng nhiên liệu DO sử dụng nhiên liệu JOME100 JO100 có thay đổi quy luật Khi vịng quay động tăng cơng suất động tăng, công suất động sử dụng dầu DO lớn so với dầu JOME100 JO100 Tuy nhiên, chúng đạt giá trị cực đại vịng quay 2000 v/p, vịng quay cơng suất động sử dụng dầu JO100 nhỏ công suất động sử dụng dầu DO khoảng 12,51%, dầu JOME100 thấp khoảng 8,51% Lý phần nhiệt trị sinh trình cháy dầu JOME100 JO100 thấp dầu DO, q trính cháy khơng hồn hảo Vậy động sử dụng nhiên liệu JO100 cơng suất sinh thấp động sử dụng dầu DO khoảng (12,51-15,09)%, tính tồn dải tốc độ 14,05%; động sử dụng nhiên liệu JOME100 cơng suất sinh nhỏ so với dầu DO khoảng (5,2710,19)%, tính tồn dải tốc độ 8,46% Suất tiêu hao nhiên liệu, ge (g/kW.h) Bảng 3.4 Suất tiêu hao nhiên liệu theo đặc tính ngồi Vịng quay 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 ge_DO 287.28 276.54 265.89 258.76 254.95 272.43 296.28 ge_JOME100 318.39 310.68 298.32 287.51 280.18 298.93 325.78 ge_JO100 327.25 317.18 308.31 297.51 291.46 318.38 345.78 85 Suất tiêu hao nhiên liệu ge ge_DO ge_JOME100 ge_JO100 360 340 ge(g/kW.h) 320 300 280 260 240 220 200 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 Vịng quay (v/p) Hình 3.14 Đồ thị suất tiêu hao nhiên liệu theo đặc tính ngồi Suất tiêu hao nhiên liệu DO, dầu JOME100 JO100 (hình 3.14 bảng 3.4) động đạt giá trị nhỏ vòng quay n = 1700 v/p Tuy nhiên tốc độ động tăng lên đồng nghĩa với việc lượng nhiên liệu cung cấp vào cho động tăng khơng phải tồn lượng nhiên liệu cung cấp vào đốt cháy hết mà có phần nhỏ chưa tham gia vào q trình cháy thải ngồi, điều làm cho cơng suất động khơng tăng mà lại làm cho suất tiêu hao nhiên liệu tăng đồ thị thể vòng quay 2200 v/p từ bảng thơng số đồ cho thấy động sử dụng nhiên liệu dầu JO100 có suất tiêu hao nhiên liệu cao nhiên liệu DO khoảng (13,91-16,87)%, tính tồn dải tốc độ 15,35%; dầu JOME100 suất tiêu hao nhiên liệu cao DO khoảng (9,96-12,35)%, tính tồn dải tốc độ 10,87% 86 Hàm lượng phát thải Phát thải COx Mônôxit cácbon (CO) có mặt khí xả động hoạt động với hỗn hợp giàu nhiên liệu mà khơng có đủ ôxi để chuyển đổi hoàn toàn cácbon nhiên liệu thành khí cacboníc Thơng số quan trọng động ảnh hưởng đến phát thải CO tỷ lệ tương đương nhiên liệu – khơng khí Bảng 3.5 Hàm lượng phát thải CO, ppm Vòng quay CO_DO 1000 1,825 1,386 2,378 1200 2,198 2,059 3,205 1400 2,187 1,857 3,078 1600 1,881 1,652 2,754 1800 1,564 1,348 2,239 2000 1,268 1,156 1,849 2200 1,199 915 1,693 CO_JOME100 CO_JO100 Đồ thị phát thải CO CO_DO CO_JOME100 CO_JO100 Hàm lượng phát thảiCO 4.000 3.500 3.000 2.500 2.000 1.500 1.000 500 800 1000 1200 1400 1600 1800 Vịng quay (v/p) Hình 3.15 Đồ thị phát thải CO 2000 2200 2400 87 Từ bảng 3.5 đồ thị 3.15 cho thấy, hàm lượng phát thải khí CO động sử dụng loại nhiên liệu lớn vòng quay 1200 v/p, vòng quay động sử dụng nhiên liệu JO100 có hàm lượng khí Co cáo nhiên liệu Do 45,85%; nhiên liệu dầu JOME100 cao DO 6,30% Điều chứng tỏ động sử dụng nhiên liệu dầu JO100 JOME100 hâm nóng tạo hỗn hợp giàu nhiên liệu, lượng khơng khí dùng cho q trình hình thành hỗn hợp khơng đủ dẫn đến q trình cháy hơn, hàm lượng phát thải CO động sử dụng nhiên liệu DO nhỏ nhất, hàm lượng phát thải CO động sử dụng JO100, JOME100 hâm nóng đến nhiệt độ 700C lớn (bảng 3.5 đồ thị 3.16) Vậy hàm lượng phát thải CO động sử dụng dầu JO100 hâm nóng đến nhiệt độ 1000C cao động sử dụng dầu DO khoảng (30,32-46,40)%, tính toàn dải tốc độ 41,91%, dầu JOME100 cao so với dầu DO khoảng (6,30-24,04)%, tính tồn dải tốc độ 14,85% Hàm lượng phát thải CO2 tỉ lệ nghịch với hàm lượng phát thải CO hàm lượng phát thải CO2 cao chứng tỏ q trình cháy hồn tồn Bảng 3.6 Hàm lượng phát thải CO2, ppm Vòng quay CO2_DO CO2_JOME100 CO2_JO100 1000 72,498 73,218 56,731 1200 72,947 74,150 57,644 1400 73,774 75,762 59,507 1600 77,173 78,881 60,339 1800 76,809 79,710 57,488 2000 70,904 73,920 54,969 2200 66,158 68,831 49,880 88 Đồ thị phát thải CO2 CO2_DO 90.000 CO2_JOME100 CO2_JO100 Hàm lượng phát thải CO2 80.000 70.000 60.000 50.000 40.000 30.000 20.000 10.000 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 Vịng quay (v/p) Hình 3.16 Đồ thị phát thải CO2 Bảng 3.6 đồ thị 3.16 cho thấy, hàm lượng phát thải CO2 động sử dụng dầu JOME100 cao so với nhiên liệu dầu DO dầu JO100 Cụ thể động sử dụng nhiên liệu dầu JO100 có hàm lượng CO2 thấp động dùng nhiên liệu DO khoảng (19,34-25,15)%, tính tồn dải tốc độ 22,30% điều chứng tỏ hình thành hỗn cháy q trình cháy nhiên liệu DO hồn hảo so với dầu JO100 Tương tự dầu JOME100 có hàm lượng phát thải cao nhiên liệu DO khoảng (0,99-4,25)%, tính tồn dải tốc độ 2,80% Phát thải NOx Ơxít nitơ (NOx) sinh buồng đốt trình cháy phản ứng hóa học ngun tử ơxi nitơ Các phản ứng tạo thành NOx phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ lượng NOx thải tương đối thấp động khởi động chạy ấm máy 89 Bảng 3.7 Hàm lượng phát thải NOx, ppm Vòng quay NOx_DO NOx_JOME100 NOx_JO100 1000 755.49 925.32 719 1200 789.25 978.54 755.9 1400 873.48 1051.85 794.5 1600 896.57 1129.18 813.6 1800 945.38 1165.3 827.3 2000 976.51 1179.05 877.9 2200 956.12 1102.87 851.2 Đồ thị phát thải NOx NOx_DO Hàm lượng phát thải NOx 1200 NOx_JOME100 NOx_JO100 1100 1000 900 800 700 600 500 400 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 Vịng quay (v/p) Hình 3.17 Đồ thị phát thải NOx Bảng 3.7 hình 3.17 cho thấy, hàm lượng phát thải NOx động sử dụng loại nhiên liệu DO, JO100 JOME100 tăng tương ứng với tốc độ vòng quay tăng Tuy nhiên động sử dụng nhiên liệu JO100 có hàm lượng phát thải NOx thấp động sử dụng nhiên liệu DO khoảng (4,2312,49)%, tính tồn dải tốc độ 8,70% Điều cho thấy hình thành hỗn hợp cháy trình cháy động với nhiên liệu DO hoàn hảo Đối với trường 90 hợp động sử dụng nhiên liệu JOME100 hàm lượng phát thải NOx cao động sử dụng nhiên liệu DO khoảng (15,35-25,94)%, tính tồn dải tốc độ 21,74%; cho thấy động sử dụng nhiên liệu JOME100 lượng phát thải lớn nhất, q trình cháy diễn cách triệt để, hoản hảo Phát thải HC Quá trình cháy động diesel dựa vào hòa trộn nhiên liệu khơng khí thời điểm tự cháy cần khoảng thời gian đặc trưng đủ để trình tự bốc cháy xảy Kết cho thấy diễn biến tỷ lệ tương đương hỗn hợp nghèo tự cháy xảy ra, tồn hòa trộn cục nhiên liệu khơng khí với tỷ lệ giới hạn cháy nghèo Do lượng hỗn hợp cục không cháy làm tăng mức phát thải hydrocacbon Thời gian hòa trộn chùm tia nhiên liệu ảnh hưởng nhiều đến thời gian hình thành hỗn hợp chất lượng hỗn hợp Chính vậy, mặt lý thuyết hàm lượng phát thải HC dầu sinh học gốc hâm đến nhiệt độ 650C cao hàm lượng phát thải giảm dần vòng quay tăng Bảng 3.8 Hàm lượng phát thải HC, ppm Vòng quay HC_DO 1000 545.3 512.89 572.28 1200 532.9 489.32 566.14 1400 493.8 439.27 554.03 1600 433.8 387.95 495.27 1800 387.1 308.48 414.68 2000 291.7 243.87 322.65 2200 241.9 205.86 278.76 HC_JOME100 HC_JO100 91 Đồ thị phát thải HC HC_DO HC_JOME100 HC_JO100 Hàm lượng phát thải HC 600 500 400 300 200 100 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 Vịng quay (v/p) Hình 3.18 Đồ thị phát thải HC Bảng 3.8 hình 3.18 cho thấy, hàm lượng phát thải HC động sử dụng loại nhiên liệu DO, JO100 JOME100 có hàm lượng phát thải cao vịng quay thấp hàm lượng phát thải giảm dần vòng quay tăng Khi động sử dụng nhiên liệu JO100 có hàm lượng phát thải HC cao động sử dụng nhiên liệu DO khoảng (4,95-15,24)%, tính tồn dải tốc độ 10,08% điều cho thấy hình thành hỗn hợp cháy quáy trình cháy nhiên liệu JO100 khơng hồn hảo, lượng lớn nhiên liệu không đốt cháy tạo thành hydrocacbon thải ngồi mơi trường động sử dụng nhiên liệu JOME100 có hàm lượng phát thải HC thấp sơ với nhiên liệu DO khoảng (5,94-20,31)%, tính tồn dải tốc độ 12,48% q trình cháy nhiên liệu JOME100 diễn hoàn hảo hơn, triệt để Như vậy, hình thành hỗn hợp giàu hay nghèo nhiên liệu làm tăng phát thải HC, đặc biệt chế độ nhỏ tải hay vòng quay thấp 92 Phát thải khói (BN) Khói tạo thành động diesel trình cháy động diesel không đồng Chỉ số phát thải khói số quan trọng cho phép đánh giá chất lượng hình thành hỗn hợp chất lượng q trình cháy hỗn hợp khơng khí – nhiên liệu động diesel Bảng 3.9 Chỉ số phát thải khói Vịng quay BN_DO BN_JOME100 BN_JO100 1000 5.86 4.23 5.37 1200 7.24 5.43 6.35 1400 7.58 5.08 6.03 1600 7.12 4.85 5.74 1800 6.54 4.02 5.14 2000 5.74 3.17 4.03 2200 4.68 2.75 3.13 Đồ thị phát thải khỏi BN_DO Chỉ số phát thải khói (BN) 10 BN_JOME100 BN_JO100 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 Vòng quay (v/p) Hình 3.19 Đồ thị phát thải khói Bảng 3.9 hình 3.19 cho thấy, số phát thải khói khí xả động sử dụng nhiên liệu DO cao, cao so với sử dụng nhiên liệu JO100 93 JOME100 Từ đồ thị cho thấy hàm lượng phát thải khói động sử dụng nhiên liệu JO100 thấp động sử dụng nhiên liệu DO khoảng (8,3633,12)%, tính tồn dải tốc độ 20,69%; điều cho thấy hình thành hỗn hợp nhiên liệu khơng khí nhiên liệu JO100 tốt dẫn đến trình cháy tốt Đối với nhiên liệu JOME100 có hàm lượng phát thải khói thấp thấp nhiên liệu DO khoảng (25-44,77)%, tính tồn dải tốc độ 34,60% q trình hình thành hỗn hợp JOME100 đồng tốt dẫn đến trình cháy triệt để hơn, hoàn hảo 3.3 Kết luận chương Qua kết thử nghiệm sử dụng nhiên liệu biodiesel nguyên chất có nguồn gốc từ hạt Jatropha động D243 cho thấy các tiêu kinh tế, kỹ thuật bảo vệ môi trường sau: Về mô men động sử dụng nhiên liệu biodiesel ngun chất, động có mơ men nhỏ khơng đáng kể so với động sử dụng nhiên liệu DO, tính tồn dải tốc độ 8,96% Về công suất tương tự mô men, động sử dụng nhiên liệu biodiesel nguyên chất sinh công suất nhỏ không đáng kể so với động sử dụng nhiên liệu DO, tính tồn dải vòng quay 8.46% Đối với suất tiêu hao nhiên liệu động sử dụng nhiên liệu biodiesel nguyên chất có suất tiêu hao nhiên liệu lớn không nhiều so với động sử dụng nhiên liệu DO, tính tồn dải cơng suất 10,87% Hàm lượng phát thải khí COx, NOx, HC phát thải khói BN có hàm lượng phát thải giảm thiểu so với động sử dụng nhiên liệu DO, điều giúp hạn chế vấn đề gây ô nhiễm môi trường hiệu ứng nhà kính Trên sở kết nghiêm cứu thử nghiệm ta khẳng định việc sử dụng nhiên liệu biodiesel sinh học nguyên chất có nguồn gốc từ hạt Jatropha cho động diesel có cơng suất nhỏ 100 CV làm máy phụ cho phương tiện thủy nội địa hoàn toàn khả thi 94 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN Kết luận Với mục đích nghiên cứu khả tận dụng nhiệt thải nước làm mát động diesel cơng suất nhỏ phục vụ cho hâm nóng nhiên liệu biodiesel nguyên chất, giảm thiểu chi phí khai thác, tác giả tập trung nghiên cứu, tính tốn, thiết kế đưa số kết luận sau: - Nghiên cứu nhiên liệu biodiesel nói chung nhiên liệu biodiesel nguyên chất có nguồn gốc từ hạt Jatropha khả sử dụng chúng cho động diesel tàu thủy - Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đến thông số vật lý quan trọng nhiên liệu biodiesel nguyên chất có liên quan tới khả hịa trộn tạo hỗn hợp khơng khí – nhiên liệu cháy xilanh động cơ, hiệu suất trình cháy, tuổi thọ động dùng nhiên liệu biodiesel nguyên chất…Từ đưa khoảng nhiệt độ hợp lý nhiên liệu biodiesel nguyên chất trước cho vào động - Đưa mô hình tận dụng nhiệt thải nước làm mát động diesel tàu thủy cỡ nhỏ thiết bị trao đổi nhiệt để sử dụng cho mục đích hâm nóng nhiên liệu biodiesel nguyên chất trước đưa vào sử dụng cho động diesel Đảm bảo nâng cao hiệu kinh tế khai thác động - Xây dựng phương pháp tính tốn, thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt kiểu kiểu ống sử dụng cho mục đích hâm nóng nhiên liệu biodiesel ngun chất trước đưa vào sử dụng động - Đã xác định, lựa chọn tính tốn thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt thải nước làm mát động diesel thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống kiểm tra khả áp dụng hệ thống cho động diesel D243 có cơng suất 80 CV làm máy phát điện cho đội tàu trung chuyển container khu vực sơng Sài Gịn lân cận Hướng phát triển luận văn Khi nguồn nhiên liệu diesel truyền thống ngày cạn kiệt, giá nhiên liệu leo thang ngày vấn đề ô nhiêm môi trường trở lên cấp thiết hết nguồn nhiên liệu mới, nhiên liệu biodiesel dần trở thành giải pháp 95 hàng đầu cho ngành giao thơng vận tải nói chung ngành vận tải đường thủy nói riêng Hơn việc tận dụng nhiệt thải nước làm mát động diesel tàu thủy cỡ nhỏ cần xem xét thiếu tàu thủy Chính vậy, cần phải vào nghiên cứu phương pháp, thiết kế hệ thống để tận dụng nhiệt thải nước làm mát động nói chung động nhỏ nói riêng nhằm phục vụ cho việc hâm nóng nhiên liệu truyền thống nhiên liệu biodiesel trước đưa vào sử dụng cho động cơ, nâng cao hiệu kinh tế khai thác, tiết kiệm nhiên liệu giảm thiểu ô nhiễm môi trường Trong điều kiện hạn chế thời gian chi phí nghiên cứu, nên đề tài dừng lại việc thử nghiệm băng thử phịng thí nghiệm với việc đánh giá tiêu kinh tế kỹ thuật bảo vệ môi trường động sử dụng nhiên liệu biodiesel nguyên chất như: Mô men, công suất, suất tiêu hao nhiên liệu hàm lượng phát thải khí gây nhiễm mơi trường hiệu ứng nhà kính Để áp dụng rộng dãi thiết bị thực tế thay nhiên liệu truyền thống cần đánh giá nhiều tác động với tiêu kỹ thuật sử dụng nhiên liệu việc đánh giá ảnh hưởng đến tuổi thọ chi tiết động thiết bị phục vụ hệ thống nhiên liệu, ứng suất cơ, ứng suất nhiệt động cơ, nguy ăn mòn chi tiết tiếp xúc với nhiên liệu, giải pháp cần áp dụng trình sử dụng thực tế loại nhiên liệu này, để tránh nhiên liệu bị thay đổi tính chất lý hóa 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS Đinh Thị Ngọ - TS Nguyễn Khánh Diệu Hồng (2008), Nhiên liệu trình sử lý hóa dầu, NXB Khoa học kỹ thuật [2] PGS.TS Phạm Ngọc Lân, Nghiên cứu quy trình sản xuất biodiesel từ nguyên chất thải,Nghiên cứu khoa học [3] Prediction models for Density and Viscosity of Biodiesel and Effects on Fuel supply system in CI engine (2010) – University of Hudders Field [4] Phạm Lê Dần – Đặng Quốc Phú (2005), Cơ sở kỹ thuật nhiệt, NXB Giáo dục [5] Phạm Lê Dần – Đặng Quốc Phú (2005), Bài tập sở kỹ thuật nhiệt, NXB Giáo dục [6] Bùi Hải (2008), Tính tốn thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt, NXB Khoa học kỹ thuật [7] Lê Viết Lượng: “ Lý thuyết động diesel” – Hà Nội: Nhà xuất Giáo dục [8] Hồng Đình Tín (2007), Truyền nhiệt tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt, NXB Khoa học kỹ thuật [9] Hoàng Đình Tín, Lê Chí Hiệp “ Nhiệt động lực học kỹ thuật” Trường ĐH Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh – 1992 [10] Lê Hữu Sơn “Nhiệt kỹ thuật”, NXB giao thông vận tải 2012 [11] Phạm Thế Hùng Nghiên cứu khả sử dụng nhiên liệu sinh học Jatropha động diesel, 2010 [12] Hoàng Anh Tuấn: “ Nghiên cứu cải tiến tính chất dầu thực vật nguyên chất sử dụng cho động diesel cỡ nhỏ”, 2015 [13] Lê Văn Vang; Trương Thanh Dũng “Động Diesel tàu thủy 1” – NXB-giao thông vận tải-2011 [14] Công ước quốc tế Marpol 73/78, 2013 [15] WWW.Waste biodiesel oil.com