Nghiên cứu đặc tính kỹ thuật và phát thải khi sử dụng nhiên liệu dimethylfuran trên động cơ xăng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM - BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI NCS NGUYỄN DANH CHẤN NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT VÀ PHÁT THẢI KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DIMETHYLFURAN TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Tp.HCM – 2021 xix MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Giao thông vận tải phải đối mặt với hai thách thức lớn cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch vấn đề nhiễm mơi trường Nhiên liệu hóa thạch nguồn lượng cho ngành giao thông nhiều thập kỷ tới, nhiên xu hướng kéo dài Mặt khác, áp lực từ vấn đề ô nhiễm môi trường khiến nhà chức trách khắp giới đưa điều luật buộc ngành công nghiệp ô tô hóa dầu phải phát triển cơng nghệ nhằm giảm phát thải cải thiện tính kinh tế nhiên liệu Hiện nay, tính chung ngày giới tiêu thụ khoảng 86 triệu thùng dầu thơ, 70% dùng cho động đốt Kèm theo vấn đề ô nhiễm môi trường chất thải từ động ơxít nitơ (NOx), phát thải hạt (PM), cacbon mơnơxít (CO), hydrocacbon (HC), cacbon điơxít (CO 2) Vấn đề ô nhiễm ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sống, sức khỏe người sinh vật Trái đất Do nước giới hầu hết áp dụng quy định ngày nghiêm ngặt phát thải ô nhiễm từ phương tiện giao thông Nhằm đạt mục tiêu giảm thiểu nhiễm mơi trường, đa dạng hóa nguồn nhiên liệu, đồng thời tận dụng phế phẩm, phụ phẩm nông nghiệp để sản xuất nguồn lượng tái tạo, nhiên liệu sinh học xem ứng viên sáng giá cho việc thay phần hồn tồn loại nhiên liệu hóa thạch truyền thống Trong số loại nhiên liệu tìm kiếm nghiên cứu sinh khối lignoxenluloza, chiết xuất từ phế phẩm phụ phẩm nông nghiệp gỗ vụn, trấu, rơm rạ loài cỏ dại Đây nguồn nguyên liệu phong phú, thích hợp cho sản xuất quy mơ cơng nghiệp để trở thành nguồn lượng thay cho dạng lượng truyền thống Từ sinh khối lignoxenluloza thu nhận loạt hóa chất hợp chất trung gian tạo lượng etanol, butanol, lacton hay methylfuran dimethylfuran Trong hợp chất xx furan xem phụ gia triển vọng nhiên liệu động Một dẫn xuất furan quan tâm nghiên cứu 2,5-dimethylfuran (DMF), chất không tan nước sử dụng làm phụ gia phối trộn với nhiên liệu truyền thống DMF có nhiệt độ sơi khoảng 94 C, với suất tỏa nhiệt khoảng 31,5 MJ/l gần tương đương với xăng (khoảng 35 MJ/l), cao hẳn so với etanol (khoảng 23 MJ/l) Trên giới có số nghiên cứu việc tổng hợp, thu nhận dimethylfuran từ sinh khối lignoxenluloza ứng dụng làm phụ gia cho nhiên liệu Quá trình thực chủ yếu từ việc hydro hóa chọn lọc hydroxymethylfurfural (HMF) thành DMF sử dụng xúc tác kim loại dung môi hữu Năm 2007, phương pháp cải tiến sản xuất 2-methlyfuran (MF) DMF từ nguồn đường fructôzơ công bố Cả hai sản phẩm sản xuất theo phương pháp xem loại nhiên liệu sinh học tái tạo Chúng sử dụng rộng rãi để thay cho xăng hóa thạch Trong điều kiện cụ thể Việt Nam nay, xăng pha cồn etanol đưa vào sử dụng 10 năm nay, nhiên hiệu kinh tế xã hội chưa rõ rệt tiến triển chậm (do giá thành sản xuất etanol cạnh tranh vấn đề ảnh hưởng đến an ninh lương thực) việc nghiên cứu để tìm loại nhiên liệu thay mới, có hiệu tốt điều cần thiết cấp bách Từ luận trên, thấy rằng: “Nghiên cứu đặc tính kỹ thuật phát thải sử dụng nhiên liệu dimethylfuran động xăng” vấn đề cấp thiết bối cảnh Mục tiêu nghiên cứu đề tài a) Mục tiêu lý thuyết: - Nghiên cứu tổng quan quy trình sản xuất, tính chất lý hóa khả ứng dụng DMF loại động đốt trong, đặc biệt động cháy cưỡng (SI) làm sở để xác định khoảng trống định hướng cho trình nghiên cứu xxi - Nghiên cứu sở lý thuyết trình cháy hình thành phát thải động SI sử dụng nhiên liệu DMF để tính tốn tiêu kỹ thuật phát thải động sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DMF-xăng RON95 động xăng b) Mục tiêu thực nghiệm: - Nghiên cứu tính tốn mơ với hỗ trợ phần mềm AVL-Boost nhằm đánh giá đặc tính làm việc phát thải động SI sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DMF - Nghiên cứu thực nghiệm đối chứng động SI nhằm so sánh với kết mô đánh giá yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính kỹ thuật phát thải sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DMF Đối tượng phạm vi nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu: - Về nhiên liệu: xăng thương phẩm RON95 DMF - Về động cơ: động cháy cưỡng b) Phạm vi nghiên cứu: Phạm vi nghiên cứu đề tài hệ động xăng điển hình lắp đặt xe ô tô thông dụng với dải công suất từ 50 đến 100 kW Các nghiên cứu mô thực nghiệm tiến hành với nhiên liệu: xăng RON95 hỗn hợp phối trộn 10DMF, 20DMF 30DMF (tương ứng với thành phần DMF hỗn hợp 10%, 20% 30% theo thể tích với xăng thương phẩm RON95) nhằm đánh giá đặc tính cơng suất, suất tiêu hao nhiên liệu phát thải (NOx, HC CO) theo đặc tính tải đặc tính ngồi động Ý nghĩa khoa học thực tiễn a) Về khoa học Luận án có ý nghĩa việc xây dựng sở lý thuyết chuyển đổi động xăng truyền thống sang sử dụng nhiên liệu DMF Đây sở cho việc cải thiện tính xxii kỹ thuật phát thải cho động xăng truyền thống sử dụng nguồn nhiên liệu tái tạo có tiềm nước ta Nghiên cứu góp phần đưa đánh giá mặt kỹ thuật sử dụng DMF làm nhiên liệu thay cho xăng, phương án nhà nghiên cứu giới nghiên cứu phát triển b) Về thực tiễn Đề tài góp phần mở rộng khả đa dạng hóa nguồn nhiên liệu sử dụng cho động xăng Góp phần cải thiện số tiêu kỹ thuật phát thải động chuyển sang sử dụng nhiên liệu xăng pha trộn với DMF theo tỷ lệ phối trộn hợp lý Phương pháp nghiên cứu a) Nghiên cứu lý thuyết - Nghiên cứu tổng quan nghiên cứu gần làm sở cho việc đưa định hướng nội dung chi tiết nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết làm sở chuyển đổi động sử dụng xăng truyền thống sang sử dụng nhiên liệu DMF thiết lập chế độ vận hành cho động b) Nghiên cứu mơ Nghiên cứu xây dựng mơ hình mơ tính tốn mơ q trình làm việc động sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DMF-xăng RON95 phần mềm AVL-Boost c) Nghiên cứu thực nghiệm Nghiên cứu thực nghiệm nhằm đánh giá tính kỹ thuật phát thải động xăng sử dụng nhiên liệu DMF, qua xây dựng phương án tối ưu thông số làm việc động chuyển sang dùng loại nhiên liệu xxiii Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan nhiên liệu DMF - Nghiên cứu sở lý thuyết tính tốn tiêu kỹ thuật phát thải động sử dụng nhiên liệu DMF - Nghiên cứu xây dựng mơ hình mơ q trình làm việc động để xác định đặc tính làm việc phát thải động sử dụng nhiên liệu DMF phần mềm AVL-Boost - Nghiên cứu thực nghiệm đối chứng để đánh giá yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính kỹ thuật phát thải sử dụng nhiên liệu DMF CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tình hình sản xuất 2,5-dimethylfuran 1.1.1 Quy trình sản xuất 2,5-dimethylfuran từ sinh khối Hơn 75% sinh khối ngơ, cối cỏ, có chứa thành phần cacbohydrat (chẳng hạn tinh bột xenlulôzơ) Các cacbohydrat thường tồn dạng chuỗi polyme bao gồm hàng ngàn đơn vị (glucôzơ fructôzơ) Mỗi đơn vị có sáu nguyên tử cacbon ngun tử ơxy, có nghĩa phân tử sinh khối chứa 100 nguyên tử cacbon Ngược lại, nhiên liệu chung cho động đốt thường có phân tử gồm đến 15 nguyên tử cacbon Do đó, thách thức việc biến đổi sinh khối sang nhiên liệu sinh học chia nhỏ phân tử loại bỏ nguyên tử ôxy [1] Cho đến nay, phương pháp sử dụng sinh khối để điều chế DMF bao gồm hai cách, thể Hình 1.1 [2] Hình 1.1 Sơ đồ bước điều chế DMF từ sinh khối [2] Phương pháp tiền xử lý sinh khối làm giảm xuống glucơzơ fructơzơ trước ba nguyên tử ôxy lấy khỏi glucôzơ fructôzơ cách tách nước chọn lọc để tạo thành HMF Cuối cùng, HMF chuyển đổi thành DMF trình thủy phân Con đường thứ hai để sinh khối, bao gồm xenlulơzơ glucơzơ, chuyển hóa thành 5-chloromethylfurfural (CMF) cách tách nước Sau đó, chuyển CMF thành DMF q trình thủy phân [3] 1.1.1.1 Chuyển đổi sinh khối sang DMF với chất trung gian HMF Là chất trung gian quan trọng trình chuyển đổi sinh khối sang DMF, HMF nghiên cứu rộng rãi hiệu chuyển đổi Những thành tựu gần nghiên cứu mở rộng liệt kê Bảng 1.1 Bảng 1.1 Các giải pháp điều chế HMF Dung dịch DMA-10wt% NaBR [EMIM][CI] DMSO DMSO DMSO [BMIM][CI] [BMIM][BF4] [BMIM][CI] CPL-LiCl [BMIM][CI] [BMIM][CI] [OMIM][CI]HCL a) Chuyển đổi glucôzơ fructôzơ thành DMF Năm 2007, Yuriy cộng [14] đề xuất phương pháp đầy triển vọng để sản xuất DMF từ fructơzơ Sơ đồ q trình sản xuất thể Hình 1.2 Fructơzơ chuyển thành HMF với HCl chất xúc tác dung dịch NaCl 35% Sau đó, HMF chiết xuất từ dung dịch 1-butanol Cuối cùng, HMF chuyển đổi thành DMF cách sử dụng chất xúc tác đồng-ruteni (CuRu/C) Phương pháp có hiệu chuyển đổi cao (62-70%) khơng có sản phẩm phụ Ngồi ra, chất xúc tác tái sử dụng lại Nhưng butanol (chất chiết xuất) cần nghiên cứu để sản xuất quy mơ lớn Hình 1.2 Sơ đồ q trình chuyển đổi fructơzơ thành DMF [14] Zhao [5] nghiên cứu tính hiệu loạt chất xúc tác để biến đổi đường thành HMF tìm phương pháp tốn lượng Trong số loại halogen kim loại khác clorua 1-alkyl-3-metylimidazolium, clorua crom (II) chất xúc tác cho hiệu suất cao nhất, khoảng 70% chuyển đổi HMF từ glucôzơ Chidambaram cộng [15] phát axit phosphormolybdic giúp nâng cao hiệu chuyển đổi glucôzơ sang HMF lên đến 99% chất lỏng ion với cách tiếp cận hai bước Sau bước này, 44-47% HMF chuyển đổi thành DMF phản ứng hydro hóa với chất xúc tác Pd/C acetonitril làm chất phụ gia Shimizu cộng [6] thay đổi áp suất bên lị phản ứng trình bày hai cách tăng suất HMF nhờ q trình tách nước fructơzơ với có mặt chất xúc tác axit rắn khác Yong cộng [7] tóm tắt cách thức chuyển đổi chọn lọc đường thành HMF hệ thống NHC-Cr/ionic, thể Hình 1.3 Hiệu chuyển đổi từ fructơzơ thành HMF đạt 96%, glucơzơ 81% 11/PL vào phân tích mà kết nối với máy tính qua mạng LAN hay qua cáp nối tiếp RS232 Các phân tích lắp đặt tủ sử dụng để đo thành phần có khí thải như: mơnơxit cácbon (CO), cácbon điơxit (CO2), ơxygen (O2), ôxit nitơ (NO NOx), hydrocacbon (HC), đồng thời cịn đo hệ số dư lượng khơng khí λ Hình PL5: Mơđun tủ phân tích khí thải FTIR Hình PL6: Tủ đo phát thải 12/PL Phụ lục Kết tính tốn mơ Phụ lục 3.1 Kết tính tốn mơ cơng suất, mơmen, suất tiêu hao nhiên liệu động chế độ 100% tải n (vg/ph) 1000 1800 2600 3400 4200 5000 n (vg/ph) 1000 1800 2600 3400 4200 5000 n (vg/ph) 1000 1800 2600 3400 13/PL 4200 5000 Phụ lục 3.2 Kết tính tốn mơ phát thải CO, HC NOx động chế độ 100% tải n (vg/ph) 1000 1800 2600 3400 4200 5000 n (vg/ph) 1000 1800 2600 3400 4200 5000 n (vg/ph) 1000 1800 14/PL 2600 3400 4200 5000 Phụ lục 3.3 Kết tính tốn mơ cơng suất, mơmen, suất tiêu hao nhiên liệu động chế độ 50% tải n (vg/ph) 1000 1800 2600 3400 4200 5000 n (vg/ph) 1000 1800 2600 3400 4200 5000 n (vg/ph) 15/PL 1000 1800 2600 3400 4200 5000 Phụ lục 3.4 Kết tính tốn mơ phát thải CO, HC NOx động chế độ 50% tải n (vg/ph) 1000 1800 2600 3400 4200 5000 n (vg/ph) 1000 1800 2600 3400 4200 5000 16/PL n (vg/ph) 1000 1800 2600 3400 4200 5000 Phụ lục Quy trình phối trộn xăng thương phẩm RON95 DMF Phụ lục 4.1 Quy trình phối trộn Trước tiên, DMF khan với hàm lượng DMF ≥ 99,5% pha trộn với phụ gia đa chức để tạo DMF nhiên liệu biến tinh DMF100 làm nguyên liệu cho trình phối trộn Các phụ gia sử dụng gồm: - Phụ gia chống tách pha: Isopropyl alcol (IPA) - Phụ gia chất phân tán: Polyetheramine - Phụ gia chống oxy hóa: Butylated diphenylamine (BD) - Phụ gia chống ăn mịn: Tetraethanolamine (TEA) Hình PL7: Sơ đồ quy trình pha chế DMF nhiên liệu biến tinh 17/PL Hình PL8: Sơ đồ quy trình phối trộn Xăng RON95 DMF100 phối trộn lấy từ đáy thiết bị cho vào đóng phuy Sơ đồ quy trình phối trộn trình bày Hình PL8 Các mẫu sau pha trộn kiểm tra tinh chất nhiên liệu theo tiêu tương tự qui định TCVN 8063:2009 Do nguyên liệu phối trộn xăng DMF chất lỏng dễ bay sản phẩm sau phối trộn đóng vào phuy để lưu trữ nên số yêu cầu trình làm việc cần lưu ý tn thủ như: - Nơi thao tác cần có khơng gian thống, dễ dàng khuếch tán pha loãng nhiên liệu bay - Cách ly nguồn có khả phát sinh tia lửa điện cầu giao, atomat, ổ điện có nguy chập (cháy)… - Sử dụng biển cấm lửa, cấm hút thuốc với khoảng cách xa >10m khu vực pha chế 18/PL Phụ lục 4.2 Bản thiết kế hệ thống phối trộn Hình PL9: Bản vẽ thiết kế hệ thống phối trộn xăng DMF Phụ lục 4.3 Phối trộn phương pháp khuấy Hình PL10: Mơ hình phối trộn thùng có cánh khuấy (a), cánh khuấy (b) Đây cơng nghệ phối trộn thông thường, sử dụng mẫu thùng trộn có khuấy sử dụng lực đẩy hình học (Hình PL10) Các loại cánh khuấy thường sử dụng công nghiệp loại tấm, mái chèo bản, mái chèo hai mái chèo có đặt chéo sử dụng số 19/PL vòng quay nhỏ, loại mỏ neo (chữ U), mỏ neo ghép hay loại chân vịt, loại tuốc bin sử dụng số vòng quay lớn Để thực phối trộn, ta tiến hành theo bước - Bước 1: Tháo nâng nắp thiết bị khuấy, điều chỉnh góc nghiêng cánh khuấy khoảng cánh cánh khuấy tới đáy thùng theo thơng số q trình hịa trộn - Bước 2: Lắp hồn thiện thiết bị, chạy thử khơng tải, hiệu chỉnh tốc độ khuấy theo thí nghiệm thời gian khuấy 70s - Bước 3: Mở van nước cấp lít xăng RON95 vào thùng (quan sát ống thủy) Sau cấp lít DMF vào thùng (sử dụng cốc đong thể tích để đảm bảo độ xác) - Bước 4: Khởi động thiết bị khuấy, hỗn hợp nhiên liệu khuấy vòng phút sau tự động dừng lại - Bước 5: Dùng dụng cụ lấy nhiên liệu bình vị trí chọn - Bước 6: Sử dụng máy đo nồng độ NBR-32 đo nồng độ mẫu nhiên liệu, sau ghi lại kết - Bước 7: Xả hết nhiên liệu thùng vào bồn chứa, vệ sinh Phụ lục 4.4 Sơ đồ quy trình phối trộn tổng qt Quy trình cơng nghệ phối trộn DMF với xăng thương phẩm tổng quát thể Hình PL11 Hình PL11: Sơ đồ quy trình cơng nghệ phối trộn xăng thương phẩm DMF tổng quát 20/PL Phụ lục Q trình thử nghiệm Phịng thử nghiệm động cơ, Trung tâm Cơng nghệ khí, Trường Đại học Cơng nghệ Giao thơng vận tải Hình PL12: Quá trình gá đặt cân chỉnh động bệ thử Hình PL13: Kiểm tra lần cuối trước chạy thử nghiệm 21/PL Hình PL14: Chạy thử nghiệm đo đạc kết ... trình nghiên cứu xxi - Nghiên cứu sở lý thuyết trình cháy hình thành phát thải động SI sử dụng nhiên liệu DMF để tính tốn tiêu kỹ thuật phát thải động sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DMF -xăng RON95 động. .. nhiên liệu DMF - Nghiên cứu sở lý thuyết tính tốn tiêu kỹ thuật phát thải động sử dụng nhiên liệu DMF - Nghiên cứu xây dựng mơ hình mơ trình làm việc động để xác định đặc tính làm việc phát thải. .. việc nghiên cứu để tìm loại nhiên liệu thay mới, có hiệu tốt điều cần thiết cấp bách Từ luận trên, thấy rằng: ? ?Nghiên cứu đặc tính kỹ thuật phát thải sử dụng nhiên liệu dimethylfuran động xăng? ??