L ời cam đoan
2.2Các ngu ns nx ut nhiên liu mi sử dụng cho đ ng cơ
Hiện có hai dạng năng lượng sinh học chủ yếu là ethanol sinh học và diesel sinh học. Với nguyên liệu là tinh bột và đường nhờ quá trình phân giải của vi sinh vật có thể sản xuất ra ethanol.
Diesel sinh học là một loại năng lượng tái tạo. Về phương diện hóa học diesel sinh học là methyl este của axit béo. Dầu diesel sinh học được chế biến từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật. Vì vậy trên thế giới nhiều nước đư tiến hành nghiên cứu trồng các loài cây nông, lâm nghiệp để cung cấp nguyên liệu sinh học cho chế biến năng lượng sinh học.
Hiện nay nguồn nhiên liệu thay thế được ứng dụng trên động cơ rất nhiều. Trong luận văn này, tác giả đề cập đến các nguồn nhiên liệu phổ biến mà ở Việt Nam đang nghiên cứu và có thể triển khai ứng dụng.
* Năng lượng sinh học thường được sản xuất từ:
- Sản phẩm nông nghiệp: củ, hạt, dầu, mỡđộng vật.
- Các chất thải dư thừa của nông nghiệp : gỗ, rơm rạ …
- Các loại bèo, rong rêu.
2.2.1 Dầu thực v t
Dầu thực vật là loại dầu được chiết suất từ các hạt, các quả của cây cối [11]. Nói chung các hạt quả của cây cối đều chứa dầu, nhưng từ dầu thực vật chỉdùng để chỉ dầu của những cây có dầu với hàm lượng dầu trong hạt lớn. Dầu từ hạt những cây có dầu như: đậu phộng, đậu nành, cải dầu, hạt bông, hướng dương... Dầu từ quả của những cây có dầu như: cây dừa, cây cọ, mè, cây Jatropha... Trong đó chúng ta chú ý đến một vài cây có chiết suất dầu khá lớn như: dừa (60%), cọ (50%). Có thể phân loại chúng theo nhu cầu làm thực phẩm cho con người: dầu ăn được, dầu
16
không ăn được. Dầu thực vật là loại nhiên liệu có thể thay thế cho diesel. Khi chọn dầu làm nhiên liệu thay thế nên chọn loại dầu không có cạnh tranh thực phẩm với con người.
Dầu làm nhiên liệu cho động cơ diesel có hai loại: Sản phẩm dầu thực vật điều chế trực tiếp từ các hạt, trái, cây lấy dầu và sản phẩm dầu thực vật qua ester hóa (biodiesel).
2.2.1.1 Thành phần hóa h c của dầu thực v t
Thành phần hóa học gồm 95% các triglyceride và 5% các axid béo tự do. Triglyceride là các triester tạo bởi phản ứng của các axit béo trên ba chức rượu của glycerol. Trong phân tử của chúng có chứa các nguyên tố H, C, và O.
Đối với dầu thực vật so với dầu diesel: lượng chứa Carbon, Hydro ít hơn, còn lượng Oxy thì lớn hơn rất nhiều (dầu diesel chỉ có vài phần ngàn O, còn dầu thực vật có 9 – 11% O) cho nên dầu thực vật là nhiên liệu có chứa nhiều oxy. Chính vì điều này mà dầu thực vật khi dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong có khả năng chỉ với lượng dư không khí thấp mà vẫn có thể cháy hoàn toàn.
2.2.1.2 Đ c tính dầu thực v t
Bảng 2.1: Tính chất của một số dầu thực vật so với Diesel [6]
Loại dầu Khối lượng riêng (g/cm3) Độ nhớt (cSt) ở 200C Chỉ số cetane Nhiệt trị (MJ/kg) Phộng 0,914 85 39 41 39,33 Cải 0,916 77 38 37,40 Dừa 0,915 30 37 40 42 37,10 Bông 0,921 73 35 40 36,78 Cọ 0,915 95 106 38 40 36,92 Nành 0,920 58 63 36 38 37,30 Jatropha 0,8789 71 57 39,8 Diesel 0,836 36 45 50 43,80
17
- Khối lượng riêng: khối lượng riêng của dầu thực vật lớn hơn dầu diesel
- Độ nhớt: Độ nhớt dầu thực vật ở nhiệt độ thường cao hơn so với dầu diesel khoảng vài chục lần. Độ nhớt của dầu ảnh hưởng lớn đến khả năng thông qua của dầu trong bầu lọc, đến chất lượng phun nhiên liệu và hòa trộn hỗn hợp do đó ảnh hưởng đến tính kinh tế nhiên liệu và hiệu suất hoạt động của động cơ.
- Chỉ số cetan: Dầu thực vật có chỉ số cetan nhỏ hơn so với dầu diesel, trong số các dầu thực vật nghiên cứu thì dầu dừa và dầu jatropha có chỉ số cetan gần bằng dầu diesel.
2.2.2 Nhiên li u Biodiesel
Nhiên liệu Biodiesel là một loại nhiên liệu có tính chất giống với dầu diesel nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ mà từ dầu thực vật, từ các vật liệu sinh khối (biomass) như củi, gỗ, rơm, trấu, phân hay mỡ động vật. Nhiên liệu biodiesel so với Diesel nói chung là một loại năng lượng sạch. Mặt khác chúng không độc và dễ phân giải trong tự nhiên.
Bản chất của Biodiesel là sản phẩm Ester hóa giữa methanol hoặc ethanol và acid béo tự do trong dầu thực vật hoặc mỡđộng vật.
Hiện nay, ở Việt Nam nguồn nhiên liệu sản xuất Biodiesel khá phong phú, đặc biệt là nguồn mỡđộng vật như cá basa, cá tra. Do sự chủđộng khuyến khích đầu tư và phát triển nhiên liệu thay thế, nhiên liệu Biodiesel được các cơ sở, công ty sản xuất một cách tự phát, khó kiểm soát về vấn đề chất lượng khi sử dụng mà chưa được kiểm định của nhà nước, nó được sử dụng chưa phổ biến cho một số thiết bị máy móc nông nghiệp, tàu đánh cá, máy phát điện... [7].
Chuyển hóa dầu thực vật để thu Glycerol được dùng để làm xà phòng và thu được các phụ phẩm là methyl hoặc ethyl Ester gọi chung là biodiessel.
18
RiCOOR được gọi là Biodiesel, chúng có đặc tính gần giống như diesel nên có thể sử dụng trực tiếp trong động cơ đốt trong. Thông thường biodiesel được sử dụng ở dạng nguyên chất hay dạng hỗn hợp với dầu diesel. Ví dụ như B20 là hỗn hợp gồm 20% biodiesel và 80% dầu diesel có nguồn gốc dầu mỏ.
Thông thường, theo các nghiên cứu trên thế giới, việc pha trộn với hàm lượng dưới 30% thì không cần quan tâm nhiều đến sự ảnh hưởng của chúng đến đường dẫn nhiên liệu cũng như sựthay đổi các kết cấu của động cơ [7] [5].
Các sản phẩm ô tô trên thị trường Mỹ như Ford, Isuzu, Kubota, Mercedes Benz, Volkswagen đều cho phép sử dụng nhiên liệu sinh học B5, một số dòng xe của hưng General Motors, Cummins… được phép sử dụng nhiên liệu B20 [7]. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
* Đ c tính của nhiên li u Biodiesel
Tính chất vật lý của nhiên liệu biodiesel tương tự như diesel nhưng ít hơn dầu diesel về mặt khí độc trong khói thải. Biodiesel khắc phục được những nhược điểm của dầu thực vật như độ nhớt quá lớn, chỉ số Cetan thấp. Các loại biodiesel đều có tỉ lệ % trọng lượng oxy khá lớn, đây là điều mà dầu diesel không có.
Bảng 2.2: Tính chất vật lý cơ bản của một số Biodiesel [6] Loại Dầu Khối lượng riêng (kg/dm3) (150C) Nhiệt trị (MJ/kg) Độ nhớt động học (mm2/s) (200C) Số cetan Điểm đông đặc(0C) Điểm bắt cháy (0C) số iốt Dầu hạt cải 0,92 37,6 72,3 40 0 -30C 317 94 113 Dầu cây hướng dương 0,93 37,1 68,9 36 -6 -18 0C 316 118 144 Dầu đậu nành 0,93 37,1 63,5 39 -8 -18 0C 350 114 138 Dầu lanh 0,93 37 51 52 -18 -27 - 169 192 Dầu ôliu 0,92 37,8 83,8 37 -5 -90C - 76 90
19
Bảng 2.3: Thành phần hóa học của các loại dầu [6]
Thành phần Dầu hạt bông Dầu cải Dầu dừa Dầu Diesel Jatropha
Cac bon 77,25 76,80 72,00 86,60 76,5
Hydro 11,66 11,90 12,00 13,40 11,5
Oxy 11,09 11,30 16,00 0,00 10,1
Tỷ lệ C/H 6,63 6,45 6,00 6,46 6,44
Các chỉ tiêu chất lượng của Việt Nam [TCVN 7717:2007] đối với Diesel sinh học B100 liên quan đến an toàn, sức khoẻ, môi trường phải phù hợp các mức quy định.
Bảng 2.4: Chỉ tiêu Diesel sinh học B100 của Việt Nam
Tiêu chuẩn Đơn v Gi i h n Ph ơng pháp đo
1 Hàm lượng este % khối
lượng > 96,5 EN 14103 2 Khốilượng riêng tại 15oC kg/m 3 860 - 900 TCVN 6594 (ASTM D 1298) 3 Điểmchớp cháy (cốc kín) oC 130 TCVN 2693 (ASTM D 93) Dầu hạt bông 0,93 36,8 89,4 41 -6 -140C 320 90 117 Jatropha 0,8789 39,8 71 57 - 340 103 Dầu dừa 0,87 35,3 21,7 - - - 7 10 Dầu cọ 0,92 37 29,4 42 - 267 34 61 Dầu hạt cọ - 35,5 21,5 - - - 14 22 Dầu Diesel 0,8225 45,9 4,8 52 9oC >62 -
20 4 Nước và cặn % thể tích < 0,050 TCVN 7757 (ASTM D 445) 5 Độnhớtđộng học tại 40oC mm 2 /s 1,9 - 6,0 A TCVN 3171 (ASTM 445)
6 Tro sulphát % khối
lượng < 0,020 TCVN 2689 (ASTM D 874) 7 Lưu huỳnh % khối lượng (ppm) < 0,05 (< 500) ASTM D 5453/ TCVN 6701 (ASTM D 2622)
8 Ĕn mòn đồng Loại No1 TCVN 2694 (ASTM D 130)
9 Trịsố xêtan > 47 TCVN 7630 (ASTM D 613)
10 Điểmvẩnđục oC Báo cáo C ASTM D 2500
11 Cặn cacbon D % khối
lượng < 0,050 ASTM D 4530
12 Trịsố axit mgKOH/g < 0,05 TCVN 6325 (ASTM D 664)
13 Chỉsốiốt g iốt/100 g < 120 EN 14111/ TCVN 6122 (ISO 3961)
14 Độ ổn định oxy
hóa tại 110oC giờ > 6 EN 14112
21 lượng 16 Glycerin tổng % khối lượng < 0,240 ASTM D 6584 17 Phospho % khối lượng < 0,001 ASTM D 4951 18 Nhiệtđộcất, 90% thu hồi o C < 360 ASTM D 1160 19 Na và Ka mg/kg < 5,0 EN 14108 và EN 14109 20 Ngoại quan Không có nướctự do, cặn và tạpchấtlơ lửng Quan sát bằng mắt thường
Các nguồn nhiên liệu mới khi sử dụng trên động cơ luôn phải đảm bảo các chi tiêu trên khi sử dụng:
- Điểm chớp cháy thấp: an toàn về phòng cháy nổ khi vận chuyển và lưu trữ. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Nước và cặn cũng liên quan đến sự hiện diện của các hạt nước và cặn tự do.
- Nhiên liệu có độ nhớt quá cao thì việc phun tơi nhiên liệu sẽkhó hơn.
- Lưu huỳnh được giới hạn để làm giảm lượng sulfate và acid sulfuric trong khí thải, để bảo vệ bộ xúc tác và giảm ô nhiễm môi trường.
- Kiểm tra ăn mòn đồng (Cu): để chỉ ra sự ăn mòn đối với những hệ thống nhiên liệu bằng đồng và đồng đỏ.
- Một trị số cetan thích hợp được yêu cầu để động cơ họat động tốt, không gây gõ máy.
22
- Lượng Cacbon trong mẫu thử biodiesel.
- Chỉ số acid chủ yếu chỉ ra các axit béo tự do.
- Lượng phôtpho có thể gây hư bộ xúc tác xử lý khí độc khói thải.
2.2.3 Thu n l i sử dụng nhiên li u dầu thực v t - biodiesel
- Chủ động được về nguồn nhiên liệu, không phụ thuộc vào sự biến động của dầu mỏ thịtrường thế giới.
- Giảm đáng kểlượng ô nhiễm, cải thiện môi trường.
- Trong dầu thực vật - biodiesel hoàn toàn không chứa lưu huỳnh, chất tạo ra SO2, H2SO4.
- Có thể sử dụng trong động cơ đốt trong, pha trộn với diesel ở bất kỳ tỷ lệ thành phần nào.
- Do có tính năng tượng tựnhư dầu Diesel nên nhìn chung khi sử dụng không cần cải thiện bất kì chi tiết nào của động cơ.
- An tòan trong bảo quản và vận chuyển.
- Khuyến khích đầu tư phát triển nông thôn trong nước, tạo công ăn việc làm cho các vùng nông thôn miền núi trong vấn đề thu gom, trồng trọt các loại nguồn nhiên liệu.
- Giải quyết các sản phẩm đầu ra cho nông dân.
2.2.4 Khó khăn sử dụng nhiên li u dầu thực v t ậ biodiesel
- Diesel sinh học là Alkyl ester axit béo, có thể làm hư ống mềm, ống nối, đệm… và một số chất dẻo. Các loại cao su tự nhiên, PP, PVC, Tygol có thể bị tổn thương. Các vật liệu đồng thau, đồng, chì, kẽm, thiếc dễ bị oxy hóa trong môi trường diesel sinh học. Nên dùng các loại diesel có hàm lượng pha trộn diesel sinh học thấp để giảm thiểu tác động bất lợi đối với kim loại thông dụng và có thể chuyển sang thay thế chúng bằng nhôm, thép hợp kim, thép cacbon.
- Các bồn chứa diesel dầu mỏ có thể chứa B100, nhưng thời gian tàng trữ không nên quá 6 tháng và không để quá nóng để tránh biến chất nhanh.
23
- Các vật liệu có thể dùng cho diesel sinh học là thép, PE Flor hóa, PP Flor hóa, Teflon, sợi thủy tinh.
- Đối với xe sử dụng diesel sinh học lần đầu nên kiểm tra bộ lọc của hệ thống nhiên liệu xem trong bộ lọc có nhiều cặn bẩn và nước không, để từ đó biết được nhiên liệu này có phù hợp với loại động cơ đang sử dụng không.
- Diesel sinh học có thể hòa tan một số loại sơn nên cần kiểm tra bề mặt những nơi sơn có tiếp xúc với nhiên liệu.
- Trước khi pha chế giữa diesel sinh học B100 với diesel truyền thống nên kiểm tra chắc chắn chất lượng loại diesel sinh học B100.
- Diesel sinh học dùng trong mùa đông cần kiểm tra điểm đông để chọn loại phù hợp hoặcphảidùng giải pháp hâm nóng [25].
- Năng suất các cây lấy dầu ở nước ta của một số cây trồng rất cao nhưng chưa được quan tâm để khai thác và sử dụng, ví dụ dầu dừa với năng suất 0,7 tấn dầu/ha- năm, đậu nành với năng suất 0,4 tấn dầu/ha-năm, hạt hướng dương với năng suất 0,8 tấn dầu/ha-năm, hạt củ cải dầu với năng suất 1 tấn dầu/ha-năm, jatropha với năng suất 2,1 – 2,6 tấn dầu/ha-năm, dầu cọ với năng suất 5,1 tấn dầu/ha-năm, tảo biển với năng suất 40 – 120 tấn dầu/ha-năm.
- Hiện nay giá thành dầu thực vật còn khá cao so với dầu Diesel (ví dụ: dầu đậu nành giá 46.000 đồng/lít, dầu dừa giá 149.000 đồng/lít… [26], dầu diesel giá 21.850 đồng/lít) tuy nhiên khi sản lượng dầu mỏ ngày càng hiếm dần, dầu thực vật sẽ có tương lai hơn.
2.2.5 Ảnh h ng của diesel sinh h c đ n đ b n của đ ng cơ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Hiện nay, ở Việt Nam chưa có một nghiên cứu nào chỉ ra sự tác động của nhiên liệu mới đối độ bền của động cơ một cách hoàn chỉnh.
- Hầu hết các hãng ô tô đều khuyến cáo và không chịu trách nhiệm về hư hỏng động cơ nếu sử dụng nhiên liệu sinh học biodiesel không đúng tiêu chuẩn và quá tỉ lệ cho phép mà các hãng thông báo.
- thời điểm hiện tại, tiêu chuẩn về sử dụng nhiên liệu mới tại Việt Nam vẫn còn đang giai đoạn xây dựng. Để xây dựng bộ chuẩn này thì cần phải thực hiện nhiều
24
thử nghiệm liên quan đến nguồn nhiên liệu mới này, đến độ bền đối với động cơ và trên tất cả các loại phương tiện giao thông khác mà Việt Nam đang sử dụng.
- Phát triển nhiên liệu sinh học là một trong các biện pháp tốt không những giúp đối phó với cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới mà còn tạo cơ hội để cải thiện đời sống nông thôn; nhưng đồng thời cũng có một số vấn đề tiềm ẩn về khả năng thiếu hụt thực phẩm cho những vùng thiếu đất canh tác, cũng như gây ảnh hưởng môi trường không kém gì các loại xăng dầu trong quá trình sản xuất: nước thải sau chưng cất, khí CO2… Vì thế, phải có sự chọn lựa hợp lý trong phát triển.
- Nhiều nghiên cứu chủ yếu việc hoàn thiện công nghệ sản xuất biodiesel đư được công bố ở Việt Nam nhưng chưa có sự đầu tư khuyến khích phát triển xây dựng công nghệ này [8].
- Việc sử dụng nhiên liệu chứa nhiều hơn 5% biodiesel có thể gây nên những vấn đề sau: ăn mòn các chi tiết của động cơ và tạo cặn trong bình nhiên liệu do tính dễ bị oxi hóa của biodiesel, làm hư hại nhanh các vòng đệm cao su do sự không tương thích của biodiesel với chất liệu làm vòng đệm truyền thống sử dụng trên động cơ hiện nay.
- Nhiệt độ đông đặc của biodiesel phụ thuộc vào nguyên liệu sản xuất nhưng cao hơn nhiều so với dầu diesel. Điều này ảnh hưởng rất lớn đến việc sử dụng biodiesel