Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu sử dụng phụ gia chứa CeO2 với kích thước nano (Nano - CeO2 ) để nâng cao hiệu quả cháy và giảm khí thải ô nhiễm môi trường với dầu đốt lò (FO). FO trước và sau khi pha phụ gia Nano - CeO2 được thử nghiệm trên động cơ HANSHIN 6LU32 (động cơ diesel thủy 4 kỳ, có tăng áp) được sử dụng để làm động cơ chính lai chân vịt cho các loại tàu với tải trọng từ 1.500 - 2.500DWT.
HĨA - CHẾ BIẾN DẦU KHÍ TẠP CHÍ DẦU KHÍ Số 11 - 2018, trang 32 - 40 ISSN-0866-854X CẢI THIỆN HIỆU QUẢ CHÁY VÀ GIẢM KHÍ THẢI KHI SỬ DỤNG PHỤ GIA NANO CERIUM OXIDES CHO DẦU ĐỐT LÒ (FO) SỬ DỤNG LÀM NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ Huỳnh Minh Thuận, Nguyễn Hữu Lương, Nguyễn Thị Lê Hiền, Nguyễn Mạnh Huấn, Nguyễn Khánh Toản Viện Dầu khí Việt Nam Email: thuanhm.pvpro@vpi.pvn.vn Tóm tắt Bài viết trình bày kết nghiên cứu sử dụng phụ gia chứa CeO2 với kích thước nano (Nano - CeO2) để nâng cao hiệu cháy giảm khí thải nhiễm mơi trường với dầu đốt lò (FO) FO trước sau pha phụ gia Nano - CeO2 thử nghiệm động HANSHIN 6LU32 (động diesel thủy kỳ, có tăng áp) sử dụng để làm động lai chân vịt cho loại tàu với tải trọng từ 1.500 - 2.500DWT Kết cho thấy, phụ gia nano CeO2 có hiệu việc cải thiện hiệu cháy phụ thuộc vào kích thước hạt nano CeO2 Với hàm lượng sử dụng 50ppm cơng suất động tăng lên khoảng - 8% tùy thuộc chế độ tải kích thước phụ gia CeO2 sử dụng (25nm, 50nm 100nm) Tương tự, suất tiêu hao nhiêu liệu sử dụng phụ gia CeO2 giảm từ - 12% so với FO không pha phụ gia Đặc biệt, việc sử dụng phụ gia CeO2 giúp giảm phát thải đáng kể (giảm 19% CO, 18% hydrocarbon, 12% NOx 11% CO2) Từ khóa: Dầu đốt lị, cerium oxides, tiêu hao nhiên liệu, phụ gia, nano Giới thiệu Việc sử dụng CeO2 với kích thước nano phụ gia cải thiện hiệu cháy giảm khí thải cho nhiên liệu diesel nghiên cứu công bố giới [1 - 8], nhiên ứng dụng CeO2 cho FO chưa đề cập nghiên cứu Lợi ích hạt nano CeO2 có nhờ vào đặc tính nhiệt động học tính chất hóa lý hạt nano CeO2 Theo nhiệt động học, hạt nano, số lượng lớn nguyên tử nằm bề mặt tỷ lệ tăng lên giảm kích thước Sự đóng góp ngun tử bề mặt tăng tương ứng lượng tinh thể nano Sự giảm kích thước dẫn đến tăng lượng bề mặt giảm nhiệt độ nóng chảy tinh thể nano Hạt nano CeO2 chất dẫn hỗn hợp, tức chất dẫn điện tử, ion Phần trống (hay thay nguyên tử nút mạng) hạt nano CeO2 tăng giảm kích thước Việc giảm kích thước hạt dẫn đến nhiệt độ biến đổi đa hình tham số mạng giảm, cịn tính chịu nén độ tan tăng [6 - 10] Bên cạnh đó, tính dễ lưu trữ dễ nhả oxy nên hạt CeO2 có khả tích trữ O2 giải phóng O2 linh Ngày nhận bài: 16/10/2017 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 16/10/2017 - 15/9/2018 Ngày báo duyệt đăng: 4/10/2018 32 DẦU KHÍ - SỐ 11/2018 động Hạt CeO2 có khả dễ chuyển trạng thái Ce3+/ Ce4+ đặc biệt khơng gây nổ Hình 1a cho thấy CeO2 có khả phản ứng thay đổi trạng thái oxy hóa khử Ce oxy theo chế hấp thụ - giải hấp Hình 1b giải thích vai trị CeO2 q trình đốt: CeO2 hấp thụ oxy từ NO nhiệt độ cao buồng đốt, sau để lại oxy cho muội than (C) hay CO sinh trình đốt cháy khơng hồn tồn hydrocarbon (HC) chuyển chúng thành phân tử CO2 [11, 12] Ở Việt Nam, việc sử dụng CeO2 thực với số nghiên cứu áp dụng khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) diesel Việc nghiên cứu ứng dụng hạt CeO2 để làm phụ gia nâng cao hiệu cháy cho diesel nước dừng lại quy mơ phịng thí nghiệm TS Cù Huy Thành nhóm tác giả thực đề tài “Nghiên cứu sử dụng phụ gia diesel sở hạt nano CeO2 cho phương tiện giới quân sự” Năm 2014, thông qua dự án sản xuất thử nghiệm cấp nhà nước “sản xuất thử nghiệm thiết bị tạo hỗn hợp nhũ tương nước/dầu FO nhằm tiết kiệm nhiên liệu khởi động đốt kèm nhà máy nhiệt điện đốt than”, mã số KC05.DA03/11-15 thuộc Chương trình KC05/11-15, nhà khoa học thuộc Viện Khoa học Năng lượng - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam nghiên cứu làm chủ công nghệ sản xuất nhũ tương FO - nước, cho phép tiết kiệm lượng, PETROVIETNAM giảm thiểu ô nhiễm môi trường sở đốt sử dụng FO Tuy nhiên, giải pháp sử dụng phụ gia CeO2 cho FO chưa nghiên cứu nước giới Hiệu trình cháy nhiên liệu động sinh công đánh giá giá trị cơng động thực khoảng thời gian (gọi công suất) Do đó, hiệu q trình cháy FO thường thực cách so sánh công suất động tàu thuyền sử dụng lượng FO khoảng thời gian định Qua nghiên cứu điều kiện trình cháy FO lị đốt cơng nghiệp, chế hình thành chất nhiễm phát thải sau đốt từ đưa biện pháp nhằm nâng cao hiệu suất cháy giảm thiểu chất ô nhiễm Các giải pháp chia thành hướng sau: (i) Phát triển công nghệ đốt, kiểm sốt khí thải sau đốt; (ii) Cải thiện chất lượng nhiên liệu hay sử dụng nhiên liệu thay thế; (iii) Thay đổi thành phần nhiên liệu (iv) Sử dụng phụ gia nhiên liệu Việc cải thiện chất lượng thay nhiên liệu làm giảm khí thải SOx, NOx hợp chất chứa N S nhiên liệu khói thải dạng hạt (PM) giảm dùng nhiên liệu nhẹ Tuy nhiên, giải pháp thay đổi công nghệ hay nhiên liệu thay có nhược điểm phải thay đổi kết cấu thiết bị lị đốt hay chi phí vận hành cao hiệu cháy không cải thiện Những phát thải khơng có thơng số xác định cụ thể kim loại kiểm soát cách kiểm sốt khí thải cải tiến cơng nghệ đốt Giải pháp thay đổi thành phần nhiên liệu FO thực việc tạo hệ nhũ tương nước với FO Khác với trình cháy dầu thơng thường, nhũ tương dầu nước có q trình ngun tử hóa thứ cấp, tức q trình phân tán hạt dầu (sau phun vào buồng đốt) thành hạt nhỏ tác dụng nhiệt độ có kích thước cỡ khoảng 10 - 20µm vào buồng đốt Đây gọi q trình ngun tử hóa nhiên liệu (làm cho hạt dầu đạt đến kích thước nguyên tử) Khi đốt cháy nhiên liệu nhũ tương nước FO, hạt dầu lần “sương hóa” Khi nhiên liệu nhũ tương phun vào buồng đốt hình thành hạt nhỏ dầu bao bọc lấy hạt nước Tiếp đó, nhiệt độ hóa chúng khác nhau, nước hóa trước, thể 2NO N2 2Ce2O3 4CeO2 ⇄ 2Ce2O3 + O2 (a) Hình Nguyên tắc hoạt động hạt nano CeO2 Việc thay đổi thành phần nhiên liệu FO tạo thành hệ nhũ tương nhiên liệu nước/dầu FO giúp đạt hiệu việc sử dụng nhiên liệu Tuy nhiên, hệ nhũ tương nước/dầu hệ phân tán chất lỏng dầu nước không tan vào tan ít, khác chất phân cực, hệ cân động nên không bền vững, dễ bị tác động điều kiện trình sử dụng, không ổn định theo thời gian, dễ bị phân tách pha hàm lượng nước nhũ dầu thường không cao Giải pháp sử dụng phụ gia nhiên liệu cho FO để nâng cao hiệu cháy nghiên cứu phát triển giới [8, 9] Phụ gia FOA #910® carboxylate lỏng chứa 40% Mn, phụ gia sử dụng phổ biến hiệu cho cải thiện cháy, giảm khói, ngăn cản tạo thành SO3 trình đốt cháy FO Loại phụ gia sử dụng cho than, dung dịch Mn phun vào than giúp cải thiện cháy, giảm tạo thành SO3 khói thải dạng hạt Phụ gia FOA #910® sử dụng cách đưa trực tiếp vào bể chứa dầu Phụ gia Hex-Cem® sản phẩm chứa 8% Cr, sử dụng rộng rãi cho FO nhằm tăng cường hiệu cháy giảm ăn mòn hợp kim turbine khí bị nhiễm muối biển Mục tiêu nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng phụ gia chứa CeO2 đến suất tiêu hao nhiên liệu phát thải đối tượng FO Để đánh giá nhận định, nhóm tác giả tiến hành pha chế sử dụng CeO2 với kích thước ban đầu khác hàm lượng khác cho FO, mẫu tiến hành thử nghiệm so sánh với mẫu dầu không chứa phụ gia 2.1 Nguyên vật liệu C (b) Khi đốt cháy nhiên liệu nhũ tương nước FO giảm lượng oxy dư, đó, ức chế q trình oxy hóa V2O5 - chất xúc tác cho hình thành SO3 ức chế lắng đọng hợp chất vanadium gây thủng lò đốt Nguyên vật liệu phương pháp thử nghiệm 4CeO2 CO2 tích giãn nở mạnh, đột ngột phá vỡ hạt dầu thành hạt nhỏ (1 - 10μm), mịn, diện tích bề mặt tiếp xúc tăng lên, tiếp xúc với khơng khí tốt hơn, q trình cháy hồn tồn so với nhiên liệu FO thơng thường Trong nghiên cứu này, FO sản xuất từ Nhà máy Lọc dầu Dung Quất CeO2 mua từ nhà cung cấp (Sigma Aldrich, APC) sử dụng trực tiếp, DẦU KHÍ - SỐ 11/2018 33 HĨA - CHẾ BIẾN DẦU KHÍ - CeO2 - 25 (kích thước hạt < 25nm); - CeO2 - 50 (kích thước hạt < 50nm); - CeO2 - 100 (kích thước hạt ~ 50 - 105nm) 2.2 Tổng hợp phụ gia chứa CeO2 ký hiệu mẫu nghiên cứu Cân xác 0,1g CeO2 (với kích thước hạt 25nm, 50nm, 100nm) cho vào bình tam giác 250ml Cho tiếp 99,9g biodiesel vào để thu dung dịch 1.000ppm CeO2 Biodiesel sử dụng nghiên cứu tổng hợp từ dầu ăn thải có chất lượng đáp ứng Quy chuẩn QCVN 01:2015/BKHCN Để hòa tan phân tán nano CeO2 tạo dung dịch đồng sử dụng máy siêu âm (tần số 16 - 20hz, xung nhịp 0,7) để phân tán CeO2 vào biodiesel khoảng thời gian 30 phút 2.3 Đánh giá độ ổn định phụ gia kết đo kích thước hạt hỗn hợp dầu phụ gia chứa CeO2 Các mẫu phụ gia CeO2 tổng hợp mục 2.2 với hàm lượng 1.000ppm CeO2 tiếp tục pha trộn với dầu để đảm bảo hàm lượng CeO2 dầu khoảng 10 - 100ppm Các mẫu sau pha trộn thử nghiệm điều kiện nhiệt độ phòng để kiểm tra độ đồng ổn định dung dịch CeO2 Kết cho thấy sau khoảng thời gian tháng mẫu có hàm lượng CeO2 50ppm xuất kết tủa lắng đáy bình tam giác Các mẫu có hàm lượng thấp 50ppm dung dịch đồng ổn định Do đó, nghiên cứu này, nhóm tác giả sử dụng dung dịch có hàm lượng CeO2 50ppm Để ký hiệu mẫu CeO2 với kích thước khác tỷ lệ pha trộn vào FO cho thử nghiệm, nhóm tác giả tiến hành ký hiệu mẫu sau: FO: mẫu trắng, không pha trộn phụ gia FO-CeX-Y: mẫu FO có pha trộn với phụ gia CeO2 với kích thước X (X = 25nm, 50nm, 100nm nêu mục 2.1) Y hàm lượng CeO2 pha trộn vào dầu (Y = 10, 20, 30, 40 50ppm) Tính 34 DẦU KHÍ - SỐ 11/2018 tốn lượng CeO2 cần thiết đưa vào mẫu dầu nồng độ khác từ hỗn hợp CeO2 50ppm Sau pha, mẫu lưu trữ gửi đo thử nghiệm động Để xem xét kích thước hạt hỗn hợp dầu có chứa phụ gia chứa CeO2, thiết bị phân tích kích thước nano (Zetasizer Nano ZS) sử dụng Kết phân tích với mẫu bổ sung 50ppm CeO2 dầu có kích thước khoảng từ 75 - 95nm (Hình 2), yếu tố ảnh hưởng đến chế ảnh hưởng phụ gia đến hiệu cháy thảo luận phần 2.4 Thiết bị thử nghiệm phương pháp đánh giá 2.4.1 Thiết bị thử nghiệm Đo đạc, phân tích đánh giá thông số kỹ thuật, mức tiêu hao nhiên liệu mẫu FO FO pha phụ gia CeO2 động HANSHIN 6LU32 (động diesel thủy kỳ, có tăng áp) sử dụng để làm động lai chân vịt cho loại tàu với tải trọng từ 1.500D - 2.500DWT gồm phần sau: - Hệ thống phanh thủy lực Omega 1500 (AVL Zollner GmbH) thiết bị tạo tải cho động Thiết bị thay cho chân vịt để tạo tải cho động cơ; - Hệ thống đo kiểm sốt khí thải CO2, CO, HC NOx đo thiết bị chuyên dụng AVL AMA i60 R1 chia khí theo tiêu chuẩn Tổ chức Hàng hải Thế giới (IMO); - Thiết bị đo áp suất cháy cực 2516A (Kistler); - Các thiết bị khác gồm: nhiệt kế, áp kế, thiết bị đánh giá tình trạng kỹ thuật vịi phun, bơm cao áp, thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu, thiết bị nung nóng nhiên liệu, đồng hồ bấm giây Bảng trình bày thơng số đặc tính kỹ thuật hệ thống thiết bị thử nghiệm 2.4.2 Quy trình đánh giá kết thử nghiệm Mỗi loại nhiên liệu chạy thử nghiệm nội dung với chế độ tải khác (50%, 75% 100%) Với loại nhiên liệu, thiết bị chạy khoảng 60 phút để đạt độ ổn định hâm nóng Tiến 60 Độ phân bố (%) không cần qua xử lý CeO2 nhận dạng bột với kích thước khác mã hóa sau: 50 40 30 20 10 0.1 10 100 Kích thước hạt (nm) 1000 Hình Phân bố kích thước hạt phụ gia chứa CeO2 10000 PETROVIETNAM hành đo công suất tiêu hao nhiên liệu độ phát thải chế độ khác Đánh giá kết thử nghiệm: Dùng phương pháp đánh giá so sánh khách quan tương đối FO không pha phụ gia FO có pha phụ gia với nồng độ kích thước khác ứng với chế độ thử Tiêu chí đánh giá dựa cơng suất, suất tiêu hao nhiên liệu phát thải Ở nghiên cứu này, sai số phép đo 3% nằm khoảng cho phép phép đo Kết thảo luận 3.1 Ảnh hưởng hàm lượng CeO2 kích thước CeO2 đến công suất tiêu hao nhiên liệu Kết thử nghiệm với hàm lượng phụ gia CeO2 đưa vào Bảng Thơng sớ đặc tính kỹ thuật của hệ thống thử nghiệm TT I II Thông số Động HANSHIN 6LU32 Model Số xy lanh Số vịng quay ứng với cơng suất định mức Cơng suất định mức Số piston hành trình Tốc độ trung bình piston Áp suất cháy lớn Tỷ số nén Hệ thống phanh thủy lực Omega 1500 Cơng suất cho phép (kW) Vịng quay (vịng/phút) Moment cho phép (Nm) Nhiệt độ tối đa cho phép (oC) Giá trị 6LU32 N = 340 vòng/phút 1.300 HP/970kW piston, S = 510mm W = 5,78m/s 90kG/cm2 13 1.500 4.800 9.500 60 Bảng Kết thử nghiệm với FO khơng pha phụ gia FO có pha phụ gia CeO2 hàm lượng 10ppm Công suất (kW) Nhiên liệu Sai khác so với FO không pha phụ gia Chế độ tải định mức (100%) FO 945 FO-Ce25-10 967 2,3% FO-Ce50-10 964 2,0% FO-Ce100-10 963 1,9% Chế độ tải 50% FO 460 FO-Ce25-10 480 4,3% FO-Ce50-10 479 4,1% FO-Ce100-10 480 4,3% Chế độ tải 75% FO 701 FO-Ce25-10 726 3,6% FO-Ce50-10 724 3,3% FO-Ce100-10 723 3,1% Giá trị Tiêu hao nhiên liệu (g/kW.h) Sai khác so với Giá trị FO không pha phụ gia 241 232 234 239 -3,7% -2,9% -0,8% 280 270 268 279 -3,6% -4,3% -0,4% 259 250 255 256 -3,5% -1,5% -1,2% 10ppm thể Bảng Nhìn chung, với việc đưa vào khoảng 10ppm phụ gia CeO2 với kích thước hạt khác cơng suất động tiêu hao nhiên liệu không thay đổi nhiều so với mẫu chưa cho phụ gia Ở 100% tải, công suất tăng lên khoảng 1,9 - 2,3% so với mẫu FO không pha phụ gia Tương tự, tiêu hao nhiên liệu có giảm so với mẫu dầu chưa pha phụ gia, tiết kiệm khoảng 0,8% với mẫu CeO2 có kích thước hạt 100nm, đó, với phụ gia có kích thước hạt 25nm 50nm mức tiêu hao nhiên liệu lại giảm nhiều (từ 2,9 - 3,7%) so với mẫu FO chưa pha phụ gia Trường hợp chế độ tải 50%, kết cho thấy tiêu hao nhiên liệu đạt cao với CeO2 có kích thước hạt 50nm, kết nằm khoảng sai số phép đo Để tiếp tục khảo sát, nhóm tác giả thử nghiệm với hàm lượng phụ gia CeO2 50ppm kết trình bày Bảng Khi sử dụng FO có pha phụ gia CeO2, động sinh công suất lớn so với sử dụng FO không pha phụ gia, giá trị sai khác lớn khoảng 5,5% chế độ tải 100% 6,3% với chế độ tải 50% Trong đó, suất tiêu hao nhiên liệu lại giảm rõ rệt, cụ thể, với FO có pha phụ gia CeO2 với kích thước hạt 25nm có sai khác đến 12,14% so với nhiên liệu không pha phụ gia chế độ tải 50% Với chế độ tải 75% 100% tiêu hao nhiên liệu giảm từ 9,54 - 10,42% Kết cho thấy phụ gia CeO2 có kích thước hạt nhỏ cho hiệu tăng công suất giảm suất tiêu hao nhiên liệu lớn Điều giải thích qua việc tăng diện tích bề mặt tiếp xúc kích thước hạt phụ gia giảm, từ tăng khả cung cấp thêm oxy cho trình cháy dẫn đến tăng khả đốt carbon nhiên liệu Kết tăng công suất giảm suất tiêu hao nhiên liệu Kết phù hợp với chế đề xuất CeO2 làm phụ gia cho nhiên liệu diesel Khảo sát hàm lượng phụ gia 20ppm, 30ppm 40ppm với kích thước hạt khác cho mức chế độ tải 100% 50% để xem ảnh hưởng đến công suất suất tiêu hao nhiên liệu Kết Bảng cho thấy cơng suất có ích tăng khoảng - 6% tùy theo kích thước hạt nano phụ gia CeO2 chế độ tải Bên cạnh đó, suất tiêu hao nhiên liệu có phụ gia CeO2 giảm nhiều từ 2,1 - 8,9% so với sử dụng FO chưa pha phụ gia DẦU KHÍ - SỐ 11/2018 35 HĨA - CHẾ BIẾN DẦU KHÍ Bảng So sánh kết thử nghiệm FO khơng pha phụ gia FO có pha phụ gia CeO2 hàm lượng 50ppm Công suất (kW) Sai khác so với FO Giá trị không pha phụ gia Nhiên liệu Chế độ tải định mức (100%) FO FO-Ce25-50 FO-Ce50-50 FO-Ce100-50 Chế độ tải định mức (50%) FO FO-Ce25-50 FO-Ce50-50 FO-Ce100-50 Chế độ tải định mức (75%) FO FO-Ce25-50 FO-Ce50-50 FO-Ce100-50 Tiêu hao nhiên liệu (g/kW.h) Sai khác so với FO Giá trị không pha phụ gia 945 997 995 993 5,5% 5,3% 5,1% 241 218 219 223 -9,5% -9,1% -7,5% 460 489 487 483 6,3% 5,9% 5,0% 280 246 251 259 -12,1% -10,4% -7,5% 701 741 739 737 5,7% 5,4% 5,1% 259 232 235 239 -10,4% -9,3% -7,7% Bảng Kết công suất tiêu hao nhiên liệu phụ thuộc vào kích thước hạt hàm lượng phụ gia chế độ tải 100% Công suất (kW) Sai khác so với FO Giá trị không phụ gia Nhiên liệu Chế độ tải định mức (100%) FO FO-Ce25-20 FO-Ce50-20 FO-Ce100-20 Chế độ tải định mức (100%) FO FO-Ce25-30 FO-Ce50-30 FO-Ce100-30 Chế độ tải định mức (100%) FO FO-Ce25-40 FO-Ce50-40 FO-Ce100-40 Tiêu hao nhiên liệu (g/kW.h) Sai khác so với FO Giá trị không phụ gia 945 980 975 972 3,7% 3,2% 2,9% 241 229 231 236 -5,0% -4,1% -2,1% 945 982 975 974 3,9% 3,2% 3,1% 241 225 231 230 -6,6% -4,1% -4,6% 945 990 980 982 4,8% 3,7% 3,9% 241 220 228 229 -8,7% -5,4% -5,0% Bảng Kết công suất tiêu hao nhiên liệu phụ thuộc vào kích thước hạt hàm lượng phụ gia chế độ tải 50% Nhiên liệu Chế độ tải 50% FO FO-Ce25-20 FO-Ce50-20 FO-Ce100-20 Chế độ tải 50% FO FO-Ce25-30 FO-Ce50-30 FO-Ce100-30 Chế độ tải 50% FO FO-Ce25-40 FO-Ce50-40 FO-Ce100-40 36 DẦU KHÍ - SỐ 11/2018 Cơng suất (kW) Sai khác so với FO Giá trị không phụ gia Tiêu hao nhiên liệu (g/kW.h) Sai khác so với FO Giá trị không phụ gia 460 487 485 483 5,9% 5,4% 5,0% 280 265 270 276 -5,4% -3,6% -1,4% 460 486 484 483 5,7% 5,2% 5,0% 280 261 278 276 -6,8% -4,7% -1,4% 460 486 483 482 5,7% 5,0% 4,8% 280 255 260 271 -8,9% -7,1% -3,2% Với mối liên hệ thiết lập trên, phụ gia chứa CeO2 có kích thước hạt nhỏ hiệu giảm tiêu hao Tăng công suất (%) -2 Công suất - tải 100% Tiêu hao nhiên liệu - tải 100% Công suất - tải 50% Tiêu hao nhiên liệu - tải 50% y = -0,0051x + 0,3691x R² = 0,8818 y = 0,1238x R² = 0,8377 0 10 20 30 40 50 60 Lượng phụ gia (ppm) -4 -6 y = -0,211x R² = 0,9301 -8 -10 y = 0,0007x - 0,2664x R² = 0,9754 -12 -14 Tăng công suất (%) Giảm tiêu hao nhiên liệu (%) Hình Mối liên hệ công suất, tiêu hao nhiên liệu với lượng phụ gia chứa CeO2 - 25nm -2 Công suất - tải 100% Tiêu hao nhiên liệu - tải 100% Công suất - tải 50% Tiêu hao nhiên liệu - tải 50% y = -0,0047x + 0,3367x R² = 0,8422 y = 0,1077x R² = 0,8524 0 10 20 30 40 50 60 Lượng phụ gia (ppm) -4 y = -0,1647x R² = 0,8854 -6 -8 y = -0,0001x - 0,1869x R² = 0,8723 -10 -12 Hình Tương quan công suất, tiêu hao nhiên liệu với lượng phụ gia chứa CeO2 - 50nm Tăng công suất (%) Kết cho thấy, để công suất tăng lên 5% lượng phụ gia đưa vào FO khoảng 45ppm 50ppm tương ứng với phụ gia có kích thước hạt 25nm 50nm Trong đó, phụ gia chứa CeO2 có kích thước hạt 100nm cần lượng lớn 50ppm Tuy nhiên, giới hạn hàm lượng CeO2 đưa vào FO (≤ 50ppm), đó, phụ gia chứa CeO2 có kích thước hạt 25nm 50nm lựa chọn mục tiêu cần đạt tăng công suất lớn 5% Tương tự, để giảm tiêu hao nhiên liệu khoảng 5% lượng phụ gia đưa vào khoảng 25ppm, 30ppm 35ppm tương ứng với phụ gia chứa CeO2 kích thước 25nm, 50nm 100nm Giảm tiêu hao nhiên liệu (%) Dựa kết thử nghiệm, mối liên hệ gần tuyến tính công suất tăng thêm tiêu hao nhiên liệu giảm với hàm lượng phụ gia chứa nano CeO2 (có kích thước hạt 25nm, 50nm 100nm) chế độ tải 100% 50% thể Hình - Qua đó, với cơng suất tải 100% mối liên hệ tìm phù hợp với quan hệ tuyến tính (với R2 > 0,84) cho cơng suất tăng thêm giảm tiêu hao nhiên liệu Trong đó, mối quan hệ dạng bậc phù hợp với chế độ tải 50% Có thể thấy, với chế độ tải 50% động làm việc chế độ thấp mức độ ảnh hưởng phụ gia khơng tuyến tính so với chế độ tải cao phù hợp Mức độ ảnh hưởng phụ gia thơng qua việc cung cấp oxy cho q trình cháy chế độ tải cao mức độ ảnh hưởng ổn định phù hợp với cơng suất động Ngồi ra, mức độ ảnh hưởng việc tăng công suất giảm tiêu hao nhiên liệu phụ gia rõ rệt với lượng cung cấp phụ gia thấp (20 - 30ppm) Tuy nhiên, sau tăng lượng phụ gia nhiên liệu mức độ tăng/ giảm khơng tuyến tính với lượng phụ gia thấp Vì mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào lượng oxy cung cấp từ phụ gia cho trình cháy Giảm tiêu hao nhiên liệu (%) PETROVIETNAM Công suất - tải 100% Tiêu hao nhiên liệu - tải 100% Công suất - tải 50% Tiêu hao nhiên liệu - tải 50% y = -0,0051x + 0,3403x R² = 0,8297 y = 0,1062x R² = 0,8409 -2 10 20 30 40 50 60 Lượng phụ gia (ppm) -4 -6 -8 y = -0,0036x + 0,0436x R² = 0,9395 y = -0,1383x R² = 0,9605 -10 Hình Tương quan cơng suất, tiêu hao nhiên liệu với lượng phụ gia chứa CeO2 - 100nm DẦU KHÍ - SỐ 11/2018 37 HĨA - CHẾ BIẾN DẦU KHÍ Về phạm vi áp dụng kích thước phụ gia khoảng giới hạn thử nghiệm 25 - 100nm Tuy nhiên, tùy theo mục đích việc sử dụng phụ gia (tăng/giảm %) hàm lượng CeO2 pha vào FO phù hợp (≤ 50ppm) kích thước phụ gia chọn thơng qua phương trình hệ số tương quan (Hình 6) Ví dụ, để giảm tiêu hao nhiên liệu 10% cần chọn phụ gia chứa CeO2 có kích thước hạt 25nm với hàm lượng bổ sung gần 50ppm, để giảm tiêu hao nhiên liệu 7% với hàm lượng bổ 38 DẦU KHÍ - SỐ 11/2018 Hệ số tăng công suất 0,1 Hệ số giảm tiêu hao nhiên liệu Hệ số giảm tiêu hao nhiên liệu - tải 100% y = -0,0002x + 0,1246 R² = 0,6464 0,05 20 40 60 80 100 120 Kích thước phụ gia (ppm) -0,05 -0,1 y = 0,0009x - 0,2242 R² = 0,8844 -0,15 -0,2 -0,25 Hình Tương quan hệ số tăng công suất, giảm tiêu hao nhiên liệu với kích thước phụ gia FO 1200 1000 Hàm lượng (ppm) Để có sơ định lượng, nhóm tác giả xác định mối tương quan hệ số tuyến tính tăng cơng suất giảm tiêu hao nhiên liệu với chế độ tải 100% thể Hình Qua đó, nội suy hệ số tuyến tính ước tính sơ cơng suất tăng thêm tiêu hao nhiên liệu giảm cho phụ gia CeO2 có kích thước hạt khác Kết cho thấy mức độ ảnh hưởng việc tăng công suất với kích thước phụ gia khơng rõ rệt so với việc giảm tiêu hao nhiên liệu Mức độ tương quan hệ số tăng cơng suất kích thước phụ gia không cao (với R2 = 0,65), mức độ tương quan hệ số giảm tiêu hao nhiên liệu ổn định (với R2 = 0,88) Qua đó, việc tăng cơng suất với phụ gia chứa CeO2 thay đổi so với kích thước phụ gia Có thể nói hệ số tăng công suất không thay đổi nhiều với kích thước phụ gia giới hạn thử nghiệm 25 - 100ppm tăng 5% cơng suất giới hạn cho việc sử dụng hỗn hợp phụ gia chứa CeO2 từ 25 - 100ppm Trong đó, hỗn hợp phụ gia chứa CeO2 phù hợp với mục đích giảm tiêu hao nhiên liệu Hệ số tăng cơng suất - tải 100% 0,15 FO-Ce25-50 FO-Ce50-50 FO-Ce100-50 1135 976 920 948 894 786 798 810 800 600 368 400 302 326 330 200 CO NO x Khí thải HC Hình So sánh lượng khí thải (CO, NOx, HC) với FO khơng pha phụ gia FO có pha phụ gia CeO2 với hàm lượng 50ppm FO 44000 FO-Ce25-50 FO-Ce50-50 FO-Ce100-50 42765 42000 Hàm lượng CO2 (ppm) nhiên liệu tăng công suất nhiều so với CeO2 có kích thước hạt lớn, hàm lượng phụ gia chứa CeO2 có kích thước hạt nhỏ đưa vào Do đó, tùy theo mục tiêu tăng công suất giảm tiêu hao nhiên liệu, để lựa chọn phụ gia chứa CeO2 có kích thước hạt phù hợp lượng phụ gia đưa vào FO tương ứng 39400 40000 38000 37892 38146 36000 34000 Hình So sánh lượng khí thải CO2 với FO khơng pha phụ gia FO pha phụ gia CeO2 với hàm lượng 50ppm PETROVIETNAM sung CeO2 tương tự (gần 50ppm) cần chọn phụ gia chứa CeO2 có kích thước hạt 90nm Qua cho thấy để tiếp tục mở rộng giới hạn tăng/giảm cần có thử nghiệm với phụ gia chứa CeO2 kích thước hạt nhỏ 25nm thực nghiên cứu 3.2 Ảnh hưởng phụ gia CeO2 đến giảm phát thải Hiệu trình đốt cháy thể qua thành phần khí thải thu Hình Kết thử nghiệm phân tích khí thải cho thấy lượng khí thải giảm đáng kể Với trường hợp 100% tải, lượng CO giảm từ 14 - 18% tùy theo kích thước phụ gia CeO2 sử dụng Lượng NOx giảm từ - 12%, lượng HC giảm từ 10 - 18% CO khí thải giảm đáng kể, qua cho thấy CeO2 xúc tiến trình oxy hóa làm giảm đáng kể hàm lượng CO, đồng thời tính chất khử CeO2 cho thấy q trình chuyển hóa NOx thành N2 Lượng HC CO khí thải giảm đáng kể cho thấy trình cháy hiệu Từ kết thử nghiệm động cơ, thấy, sử dụng FO hàm lượng phụ gia 50ppm, công suất động tăng lên 5% với chế độ tải định mức Ngồi ra, với chế độ tải 50% cơng suất tăng lên đến 6,3% Song song với cải thiện cơng suất động tiêu thụ nhiên liệu giảm đáng kể, tiết kiệm đến 12% Đồng thời, quan trọng lượng khí thải giảm rõ rệt, từ - 19% tùy theo loại khí thải kích thước phụ gia CeO2 sử dụng Với kết trên, việc bổ sung phụ gia chứa hạt nano CeO2 có khả cải thiện đặc tính nhiên liệu FO cháy động Cụ thể, hạt nano CeO2 nhiên liệu giúp q trình oxy hóa muội than thành buồng đốt động hydrocarbon có khí thải động vùng nhiệt độ thấp tốt tạo điều kiện cho động hoạt động hiệu Trong điều kiện động cơ/lò đốt nhiên liệu dư oxy, thu hồi lượng oxy thừa khí thải khí NOx, khử NOx thành N2 không gây độc hại Trong điều kiện dư nhiên liệu O2, CeO2 nhả O2 để đốt cháy nhiên liệu làm cho nhiên liệu cháy hoàn toàn hơn, tạo thành sản phẩm phụ COx CHx dư, làm tăng hiệu suất lò đốt hay động Kết luận Phụ gia chứa CeO2 với kích thước hạt nano khoảng 75 - 95nm tổng hợp Kết đánh giá thông số công suất, suất tiêu hao nhiên liệu, thành phần khí phát thải động diesel tàu thủy HANSHIN 6LU32 chạy FO FO sau pha phụ gia đánh giá so sánh thông qua tỷ lệ tăng (+) giảm (-) Kết cho thấy, phụ gia nano CeO2 có hiệu việc cải thiện hiệu cháy nhiên liệu FO Mức độ hiệu phụ gia phụ thuộc vào kích thước hạt nano CeO2, hàm lượng phụ gia sử dụng chế độ tải trọng động điều kiện thực thử nghiệm Cụ thể, với hàm lượng phụ gia phù hợp khoảng 50ppm công suất động tăng lên - 8% tùy thuộc chế độ tải kích thước phụ gia CeO2 sử dụng (25nm, 50nm 100nm) Tương tự, suất tiêu hao nhiên liệu sử dụng phụ gia CeO2 giảm cao, từ - 12% so với FO không pha phụ gia Đặc biệt, việc sử dụng phụ gia CeO2 giúp thành phần phát thải giảm đáng kể (giảm 19% CO, 18% HC, 12% NOx 11% CO2) Như vậy, sử dụng phụ gia nano CeO2 cho nhiên liệu FO, tác dụng cải thiện hiệu suất động cịn có thêm lợi ích mơi trường việc giúp giảm phát thải trình đốt cháy nhiên liệu Dựa mối liên hệ thiết lập, tùy theo mục tiêu đặt ban đầu, lựa chọn phụ gia chứa CeO2 kích thước hạt khác lượng phụ gia đưa vào Kết nghiên cứu mở hướng việc cải thiện hiệu cháy giảm tác động đến môi trường tương lai Tài liệu tham khảo Birgit K.Gaiser, Teresa F.Fernandes, Mark Jepson, Jamie R.Lead, Charles R.Tyler, Vicki Stone Assessing exposure, uptake and toxicity of silver and cerium dioxide nanoparticles from contaminated environments Environment Health 2009; 8(1) Paul JA Borm, David Robbins, Stephan Haubold, Thomas Kuhlbusch, Heinz Fissan, Ken Donaldson, Roel Schins, Vicki Stone, Wolfgang Kreyling, Jurgen Lademann, Jean Krutmann, David Warheit, Eva Oberdorster The potential risks of nanomaterials: A review carried out for ECETOC Particle and Fibre Toxicolog 2006 Bary Park, Patricia Martin, Chris Harris, Robert Guest, Andrew Whittingham, Peter Jenkinson, John Handley Initial in vitro screening approach to investigate the potential health and environmental hazards of Enviroxtrade mark - a nanoparticulate cerium oxide diesel fuel additive Particle and Fibre Toxicolog 2007 Health Effects Institute Evaluation of human health risk from cerium added to diesel fuel Communication 2001 Heejung Jung, David B.Kittelson Measurement of electrical charge on diesel particles Aerosol Science and Technology 2005; 39 (12): p 1129 - 1135 Gareth Wakefield Fuel or fuel additive containing DẦU KHÍ - SỐ 11/2018 39 HĨA - CHẾ BIẾN DẦU KHÍ doped cerium oxide nanoparticles US Patent US 7169196 B2 2007 Roger Scattergood Cerium oxide nanaparticles as fuel additives US Patent US 2006/0254130 A1 2006 Flemming R.Cassee, Erna C.Van Balen, Charanjeet Singh, David Green, Hans Muijser, Jason Weinstein, Kevin Dreher Exposure, health and ecological effects review of engineered nanoscale cerium and cerium oxide associated with its use as a fuel additive Critical Reviews in Toxicology 2011; 41(3): p 213 - 229 Barry Park, Kenneth Donaldson, Rodger Duffin, Lang Tran, Frank Kelly, Ian Mudway, Jean-Paul Morin, Robert Guest, Peter Jenkinson, Zissis Samaras, Myrsini Giannouli, Chariton Kouridis, Patricia Martin Hazard and risk assessment of a nanoparticulate cerium oxide-based diesel fuel additive - A case study Inhalation Toxicology 2008; 20(6): p 547 - 566 10 Tiziano Montini, Michele Melchionna, Matteo Monai, Paolo Fornasiero Fundamentals and catalytic applications of CeO2 ‑ based materials Chemical Reviews 2016; 116(10): p 5987 - 6041 11 R.Sathiyamoorthi, M.Puviyarasan, B.Bhuvanesh Kumar, D.Breslin Joshua Effect of CeO2 nano additive on performance and emission characterisics of diesel engine fuelled by Neem oil - biodiesel International Journal of Chemical Sciences 2016; 14: p 473 - 484 12 Sagar Gunturkar, Gund Sagar, C.Srinidhi Performance and emission effect of nanofuels additives for diesel in diesel engine - a review study International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET) 2017; 4(4): p 478 - 480 NANOPARTICLE CERIUM OXIDES AS FUEL OIL ADDITIVE IN DIESEL ENGINE FOR CLEANER EMISSIONS AND LOWER FUEL CONSUMPTION Huynh Minh Thuan, Nguyen Huu Luong, Nguyen Thi Le Hien, Nguyen Manh Huan, Nguyen Khanh Toan Vietnam Petroleum Institute Email: thuanhm.pvpro@vpi.pvn.vn Summary In this study, the use of CeO2 nanoparticles for fuel oil (FO) additive to increase combustion efficiency and to decrease soot emissions was systematically investigated CeO2 containing FO and FO were tested in HANSHIN 6LU32 engine (diesel engine) which is used for 1,500 DWT - 2,500 DWT ships The result revealed that CeO2 nanoparticles is really effective for lower fuel consumption and cleaner emissions depending on CeO2 nanoparticle size and used content The addition of only 50ppm into the FO led to an increase of power by app - 8% Similarly, energy consumption for CeO2 containing FO was reduced significantly by - 12% compared to that of FO More importantly, the use of CeO2 resulted in a vast decrease in emission (e.g 19% CO, 18% hydrocarbon, 12% NOx and 11% CO2) Key words: Fuel oil, cerium oxides, combustion efficiency, emissions, additive, nanoparticle 40 DẦU KHÍ - SỐ 11/2018 ... chất lượng nhiên liệu hay sử dụng nhiên liệu thay thế; (iii) Thay đổi thành phần nhiên liệu (iv) Sử dụng phụ gia nhiên liệu Việc cải thiện chất lượng thay nhiên liệu làm giảm khí thải SOx, NOx... đốt cháy FO Loại phụ gia sử dụng cho than, dung dịch Mn phun vào than giúp cải thiện cháy, giảm tạo thành SO3 khói thải dạng hạt Phụ gia FOA #910® sử dụng cách đưa trực tiếp vào bể chứa dầu Phụ. .. phụ gia Đặc biệt, việc sử dụng phụ gia CeO2 giúp thành phần phát thải giảm đáng kể (giảm 19% CO, 18% HC, 12% NOx 11% CO2) Như vậy, sử dụng phụ gia nano CeO2 cho nhiên liệu FO, ngồi tác dụng cải