Nghiên cứu tỷ lệ pha trộn hợp lý giữa dầu dừa và dầu diesel dùng làm nhiên liệu cho động cơ Diesel nhằm cải thiện các chỉ tiêu kinh tế và môi trường (Luận án tiến sĩ)

Nghiên cứu tỷ lệ pha trộn hợp lý giữa dầu dừa và dầu diesel dùng làm nhiên liệu cho động cơ Diesel nhằm cải thiện các chỉ tiêu kinh tế và môi trường (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu tỷ lệ pha trộn hợp lý giữa dầu dừa và dầu diesel dùng làm nhiên liệu cho động cơ Diesel nhằm cải thiện các chỉ tiêu kinh tế và môi trường (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu tỷ lệ pha trộn hợp lý giữa dầu dừa và dầu diesel dùng làm nhiên liệu cho động cơ Diesel nhằm cải thiện các chỉ tiêu kinh tế và môi trường (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu tỷ lệ pha trộn hợp lý giữa dầu dừa và dầu diesel dùng làm nhiên liệu cho động cơ Diesel nhằm cải thiện các chỉ tiêu kinh tế và môi trường (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu tỷ lệ pha trộn hợp lý giữa dầu dừa và dầu diesel dùng làm nhiên liệu cho động cơ Diesel nhằm cải thiện các chỉ tiêu kinh tế và môi trường (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu tỷ lệ pha trộn hợp lý giữa dầu dừa và dầu diesel dùng làm nhiên liệu cho động cơ Diesel nhằm cải thiện các chỉ tiêu kinh tế và môi trường (Luận án tiến sĩ)

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận án cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu Luận án trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả Luận án Phùng Minh Lộc LỜI CẢM TẠ Tôi xin chân thành biết ơn TS Vũ Văn Xứng, Hiệu trưởng Trường Đại học Nha Trang cho phép thực Luận án Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Nha Trang, Trưởng khoa Sau Đại học, Trưởng khoa Kỹ thuật Giao thông Bộ môn Động lực dành cho điều kiện thuận lợi để hồn thành Luận án Tơi xin tỏ lòng kính trọng chân thành biết ơn PGS.TS Nguyễn Thạch nhận hướng dẫn thực Luận án Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS.Quách Đình Liên, PGS.TS.Nguyễn Văn Nhận, PGS.TS.Trần Gia Thái cung cấp tài liệu đóng góp ý kiến quý báu phương pháp luận Luận án Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Phạm Hùng Thắng hết lòng tạo điều kiện cho thực đề tài NCKH cấp Bộ hỗ trợ cho việc thực Luận án Tôi xin trân trọng cảm ơn TS Nguyễn Anh Thi, TS Nguyễn Ngọc Dũng Phòng Thí nghiệm Trọng điểm ĐCĐT Đại học Quốc gia Tp.HCM đắc lực giúp tơi hồn thành phần thực nghiệm Luận án Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý Thầy phản biện, quý Thầy Hội đồng chấm Luận án đồng ý đọc, duyệt đóng góp ý kiến để tơi hồn chỉnh Luận án định hướng nghiên cứu tương lai Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, đồng nghiệp thân hữu ủng hộ, động viên suốt thời gian thực Luận án Nghiên cứu sinh Phùng Minh Lộc MỤC LỤC Lời cam đoan; Lời cảm tạ Mục lục Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt; Danh mục bảng; Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU Chương 1- TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC CHO ĐỘNG CƠ DIESEL 1.1 Sử dụng nhiên liệu biodiesel 1.2 Sử dụng trực tiếp dầu thực vật làm nhiên liệu (SVO) Chương 2- CƠ SỞ LÝ THUYẾT SỬ DỤNG HỖN HỢP DẦU DỪA VÀ DẦU DIESEL LÀM NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ DIESEL 2.1 Nhiên liệu dùng cho động diesel 2.2 Lý thuyết trình phun nhiên liệu cấu trúc tia phun nhiên liệu dầu dừa động diesel 2.3 Các vấn đề cần giải sử dụng dầu dừa làm nhiên liệu cho động diesel 2.4 Giải pháp sử dụng hỗn hợp dầu dừa dầu diesel làm nhiên liệu cho động diesel Chương 3- ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA TỶ LỆ PHA DẦU DỪA VÀO DẦU DIESEL ĐẾN CHỈ TIÊU KINH TẾ VÀ MÔI TRƯỜNG BẰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG 3.1 Q trình cháy động diesel mơ hình 3.2 Giới thiệu phần mềm q trình mơ 3.3 Phân tích q trình cháy đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ hỗn hợp đến tiêu kinh tế, môi trường phần mềm mô KIVA-3V Chương 4- NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA TỶ LỆ PHA DẦU DỪA VÀO DẦU DIESEL ĐẾN CHỈ TIÊU KINH TẾ VÀ MÔI TRƯỜNG 4.1 Sơ đồ bố trí thiết bị thực nghiệm AVL 4.2 Phương pháp thực nghiệm 4.3 Kết thực nghiệm bàn luận Chương 5- KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 6 17 19 23 46 54 59 60 85 106 123 123 124 126 143 145 146 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài: Từ năm 1970, trước áp lực khủng hoảng dầu mỏ vấn đề giảm thải chất gây ô nhiễm môi trường, nhiều nước giới hoạch định sách nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học (biofuels) thay dần cho nguồn nhiên liệu gốc dầu mỏ động diesel Bắt đầu từ Châu Âu, đến việc sử dụng nhiên liệu sinh học ứng dụng khắp châu lục Nhiên liệu sinh học sản xuất từ hợp chất có nguồn gốc động thực vật Ví dụ, nhiên liệu chế xuất từ chất béo động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa, ), ngũ cốc (lúa mì, ngơ, đậu tương ), chất thải nông nghiệp (rơm, bắp, ), sản phẩm thải công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải ), Nhiên liệu sinh học có nhiều ưu điểm bật so với loại nhiên liệu truyền thống (dầu mỏ, khí đốt, than đá, ) như: - Thân thiện với mơi trường, hàm lượng khí gây nhiễm hiệu ứng nhà kính khí thải động - Nguồn nhiên liệu có khả tái sinh từ hoạt động sản xuất nông nghiệp, cho phép giảm lệ thuộc vào nguồn tài nguyên nhiên liệu không tái sinh truyền thống Tuỳ thuộc vào phương thức sản xuất sử dụng, nhiên liệu sinh học phân làm nhóm sau: NHIÊN LIỆU SINH HỌC BIOFUELS DIESEL SINH HỌC Biodiesel DẦU THỰC VẬT NGUYÊN GỐC - SVO Straight Vegetable Oil NHIÊN LIỆU SINH KHỐI Biomass ETHANOL Hiện chia công nghệ sử dụng mỡ động vật dầu thực vật làm nhiên liệu (với tỷ lệ thích hợp) cho động diesel thành hai hướng chính: (1) Xử lý mặt hoá học để mỡ động vật dầu thực vật có tính chất tương đương với diesel dầu mỏ (DO) Dầu qua xử lý gọi biodiesel (2) Xử lý mặt - lý để dầu thực vật đạt số yêu cầu nhiên liệu DO Theo hướng này, công nghệ chủ yếu theo nhánh sau: - Thứ nhất, chế tạo chuyển đổi thành hệ thống nhiên liệu kép chế tạo phun nhiên liệu chuyên dùng cho SVO thành hệ thống nhiên liệu đơn - Thứ hai, tạo hỗn hợp dầu thực vật với dung mơi có độ nhớt thấp (như: dầu hỏa, ethnol, dầu diesel ), chất phụ gia đạt tiêu chuẩn nhiên liệu dùng cho động diesel Trong đề tài này, NCS chọn giải pháp tạo hỗn hợp vì: - Việc chế tạo, lắp đặt thêm chuyển đổi phun chuyên dùng SVO có khả sử dụng đến 100% dầu thực vật nguyên chất làm đội giá thành hệ thống nhiên liệu, gây phức tạp sử dụng - Khơng cần có nhà máy xử lý với quy mô công nghiệp Biodiesel, giá thành thiết bị cao (30.000 EU cho thiết bị có suất 50lít/ mẻ) Mặt khác, biodiesel dễ bị nhiễm khuẩn làm giảm sút chất lượng bảo quản, thời gian bảo quản khuyến cáo năm với chế độ nghiêm ngặt, điều chưa phù hợp với trình độ kỹ thuật nước ta Trong dầu thực vật bảo quản điều kiện thông thường Ở số động cơ, dầu biodiesel làm hư hỏng vật liệu tổng hợp PVC, ống dẫn cao su, vòng đệm Chưa tìm thấy cơng trình cơng bố tác hại tương tự sử dụng công nghệ tạo hỗn hợp - Sử dụng trực tiếp dầu thực vật từ sở sản xuất dầu có, đặc biệt dầu khơng ăn được, tạo hỗn hợp với chất phụ gia nhiên liệu DO hạ giá đầu vào nhiên liệu Giải pháp khơng đòi hỏi người sử dụng trình độ cao, phù hợp với điều kiện nước ta Trong lĩnh vực Nông - Lâm - Ngư giao thông Việt Nam, động diesel sử dụng phổ biến (trên 90%) Đến tháng 10/2011 nước có gần 500.000 máy kéo loại sử dụng nông nghiệp, với tổng công suất triệu mã lực (CV); 580.000 máy tuốt đập lúa; 17.992 máy gặt lúa loại Đến cuối năm 2008, số lượng tàu cá Việt Nam lên đến 128.000 với tổng cơng suất 6.784.000 cv (bình qn 53 cv/chiếc) Ngồi ra, tàu giao thông vận tải đường sông, dịch vụ du lịch có số lượng lớn Như vậy, dùng dầu thực vật làm nhiên liệu thay cho động diesel tiết kiệm lượng ngoại tệ lớn cho quốc gia hạn chế ô nhiễm môi trường Dầu thực vật Việt Nam chế biến từ nguyên liệu có nguồn gốc thực vật gồm: đậu nành, đậu tương, đậu phụng (lạc), vừng, dừa, cám gạo…trong phổ biến dầu dừa [2] Dầu dừa có độ nhớt, khối lượng riêng, điểm chớp lửa thấp nhất, số cetan cao Đây lợi điểm đáng kể sử dụng làm nhiên liệu thay thế, sản lượng dầu dừa đứng đầu loại dầu thực vật phổ biến Việt Nam Gần xuất thêm số loại dầu không ăn như: dầu cọc rào (jatropha), dầu rong tảo,…đầy tiềm chưa thành thương phẩm Từ luận trên, thấy rằng: “Nghiên cứu tỷ lệ pha trộn hợp lý dầu dừa dầu diesel dùng làm nhiên liệu cho động Diesel nhằm cải thiện tiêu kinh tế môi trường” cấp thiết bối cảnh Mục tiêu nghiên cứu đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng tỉ lệ pha dầu dừa vào dầu diesel đến tiêu kinh tế môi trường động diesel, từ xác định cơng thức hỗn hợp làm tham số đầu vào cho việc thiết kế Hệ thống nhiên liệu chuyển đổi Để giải mục tiêu đề tài, NCS đặt giả thuyết: - Động diesel hoạt động sử dụng nhiên liệu có đặc tính (chủ yếu độ nhớt số cetan) tương đương nhiên liệu truyền thống - Chỉ tiêu kinh tế môi trường động thay đổi theo tính chất nhiên liệu Đối tượng nghiên cứu: Nhiên liệu thay dùng cho động diesel Phạm vi nghiên cứu: Hỗn hợp dầu dừa, chất phụ gia dầu diesel làm nhiên liệu cho động diesel Ý nghĩa khoa học thực tiễn: Về khoa học - Xây dựng sở lý thuyết sử dụng hỗn hợp dầu dừa, dầu diesel làm nhiên liệu cho động diesel; - Xác định điều kiện mô (điều kiện ban đầu điều kiện biên) sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dầu dừa với dầu diesel; - Xác định yếu tố điều chỉnh nhiên liệu hỗn hợp cho q trình mơ thời gian phun thời gian cháy trễ thông qua tính chất nhiên liệu độ nhớt số cetan; - Xác lập cơng thức tính xây dựng thông số nhiệt động cho nhiên liệu hỗn hợp: dầu dừa, dầu diesel chất phụ gia làm nhiên liệu cho động diesel; - Dẫn liệu khoa học kết chạy thử nghiệm nhiên liệu hỗn hợp từ dầu dừa, dầu diesel chất phụ gia cụm thử nghiệm chuyên dùng AVL 2.Về thực tiễn - Đề xuất giải pháp sử dụng nhiên liệu hỗn hợp cho động diesel; - Chuyển đổi hệ thống nhiên liệu động diesel sang sử dụng nhiên liệu hỗn hợp dầu dừa, chất phụ gia dầu diesel Góp phần khai thác nhiên liệu sinh học cho động diesel để thay phần nguồn nhiên liệu truyền thống ngày khan giảm ô nhiễm môi trường Các đóng góp vận dụng nghiên cứu nhiên liệu thay từ loại dầu thực vật khác nhau, giúp giảm thời gian chi phí thực Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết: - Nghiên cứu tài liệu lý thuyết đại phát triển giới trình phun nhiên liệu, hình thành hỗn hợp cháy động diesel sử dụng nhiên liệu thay - Phân tích lựa chọn mơ hình tốn hợp lý ứng dụng xác định thông số tia phun nhiên liệu dầu dừa so với nhiên liệu diesel làm sở cho giải pháp sử dụng nhiên liệu hỗn hợp - Mô phần mềm ảnh hưởng tỷ lệ pha dầu dừa vào dầu diesel đến trình cháy động diesel làm sở chọn số mẫu nhiên liệu thực nghiệm Nghiên cứu thực nghiệm: - Xác định tương quan nhiệt - nhớt mẫu nhiên liệu hỗn hợp ứng với tỷ lệ pha khác nhau, từ xác định khoảng tỷ lệ pha hợp lý - So sánh kiểm chứng đặc tính cơng suất, đặc điểm q trình cháy; Khảo sát tiêu kinh tế môi trường động sử dụng dầu diesel mẫu nhiên liệu hỗn hợp băng thử chuyên dùng; Kiểm chứng với kết mô Nội dung nghiên cứu Tổng luận nghiên cứu sở lý thuyết sử dụng hỗn hợp dầu dừa dầu diesel làm nhiên liệu cho động diesel; Lựa chọn mơ hình tốn mơ q trình phun cháy nhiên liệu hỗn hợp dầu dừa - dầu diesel động diesel; Đánh giá tiêu kinh tế môi trường thay đổi tỷ lệ pha dầu dừa vào dầu diesel động diesel Kết cấu Luận án Luận án kết cấu thành chương: Tổng quan sử dụng nhiên liệu sinh học cho động diesel Cơ sở lý thuyết sử dụng hỗn hợp dầu dừa dầu diesel làm nhiên liệu cho động diesel Đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ pha dầu dừa vào dầu diesel đến tiêu kinh tế môi trường động diesel phần mềm mô Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng tỷ lệ pha dầu dừa vào dầu diesel đến tiêu kinh tế môi trường động diesel Kết luận kiến nghị Hạn chế Luận án Luận án chưa nghiên cứu giải vấn đề có liên quan như: Cơng thức phân tử nhiên liệu hỗn hợp; Độ ổn định nhiên liệu hỗn hợp theo thời gian điều kiện bảo quản Chương 1- TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC CHO ĐỘNG CƠ DIESEL Hiện có nhiều ứng dụng nhiên liệu thay cho động cơ, ví dụ Brazin nước đầu việc phát triển loại nhiên liệu từ mía, Brazin có tới 90% tơ sử dụng nhiên liệu nhiên liệu pha với nhiên liệu có nguồn gốc dầu mỏ, với nhà máy cung cấp sản lượng khoảng 49 triệu lít/năm Thị trường châu Âu không nhỏ nghị định Kyoto đưa vào thực hiện, quy chế ngặt nghèo khí thải, gần thị 2003/30/EC, theo từ ngày 31/12/2005 có 2% đến 31/12/2010 5,75% nhiên liệu dùng vận tải phải có nguồn gốc tái tạo Tại Đức thị thực sớm hơn, Áo Pháp với nhiên liệu chứa 5% có nguồn gốc tái tạo bán Ở Mỹ, Áo cho động diesel ôtô chạy dầu thực vật từ nhiên liệu dầu ăn thải từ nhà hàng Achentina tìm cách phát triển cơng nghệ sản xuất lượng thay từ đậu nành với chi phí sản xuất ½ so với dầu diesel truyền thống (DO) Nước Anh sản xuất nhiên liệu thay từ hạt hướng dương, hạt thầu dầu hạt cọ, sản xuất ethanol từ lúa mì mía Gần đây, có số cơng trình bắt đầu nghiên cứu công bố sản xuất nhiên liệu sinh học từ rong tảo Như vậy, khái niệm công nghệ chế biến sử dụng nhiên liệu sinh học cho động diesel rộng Phạm vi đề tài đề cập đến nhiên liệu lỏng: biodiesel SVO 1.1 Sử dụng nhiên liệu biodiesel Biodiesel loại nhiên liệu có tính chất tương đương với nhiên liệu dầu diesel sản xuất từ dầu thực vật hay mỡ động vật Về phương diện hóa học Biodiesel methyl ester axít béo Nguyên liệu sản xuất biodiesel từ động vật mỡ cá tra, cá basa, mỡ gà,… từ thực vật: dầu dừa, dầu đậu nành, dầu hạt cải, dầu hướng dương, dầu mè, dầu lạc,… Biodiesel có tiềm lớn để làm nhiên liệu tái tạo động diesel Hiện nay, công nghệ sản suất Biodiesel từ có dầu sử dụng rộng rãi châu Âu, châu Mỹ để thay phần nhiên liệu DO (Diesel Oil) Có điều chủ yếu đặc tính thuận lợi biodiesel khả pha trộn với nhiên liệu diesel thông thường cần điều chỉnh nhỏ hệ thống nhiên liệu Có hai tiêu chuẩn phát triển dầu diesel sinh học ASTM-D6751 Mỹ EN-14214 Liên minh Châu Âu Theo đó, q trình sản xuất diesel sinh học dầu thực vật nguyên chất chất béo qua sử dụng Các cấu trúc phân tử phân nhánh lớn dầu thực vật chuyển sang cấu trúc phân tử mạch thẳng ngắn gọi ester methyl - ethyl giống thành phần dầu diesel truyền thống Dầu(mỡ)+Methanol Xúc tác kiềm Gạn Pha ester Pha glycerine Xúc tác kiềm Gạn Pha glycerine Pha ester Lọc Bay Sản phẩm cuối Hình 1-1 Sơ đồ ester hóa Sơ đồ phương pháp ester hố trình bày Hình 1-1: Glycerine dễ dàng tách khỏi ester sử dụng ngành công nghiệp khác Nguồn nguyên liệu cho sản xuất dầu diesel sinh học nước tiên phong chủ yếu bốn loại thực vật: dầu hạt cải chiếm gần 85%, dầu hạt hướng dương, dầu đậu tương dầu cọ Các nguyên liệu lại sản xuất từ dầu hạt lanh, mỡ bò, dầu, mỡ rán tái chế Tuy nhiên, bốn loại thực vật sử dụng để sản xuất dầu diesel sinh học trồng chủ yếu cho nhu cầu thực phẩm ... trộn hợp lý dầu dừa dầu diesel dùng làm nhiên liệu cho động Diesel nhằm cải thiện tiêu kinh tế môi trường cấp thiết bối cảnh Mục tiêu nghiên cứu đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng tỉ lệ pha dầu dừa vào... cho động diesel Cơ sở lý thuyết sử dụng hỗn hợp dầu dừa dầu diesel làm nhiên liệu cho động diesel Đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ pha dầu dừa vào dầu diesel đến tiêu kinh tế môi trường động diesel phần... cứu: Xác định tỷ lệ pha dầu thực vật hợp lý vào dầu diesel (có phụ gia) để hỗn hợp làm nhiên liệu cho động diesel, thỏa mãn tiêu kinh tế mơi trường Vì vậy: Nghiên cứu tỷ lệ pha trộn hợp lý dầu