2.2.1 Phương pháp sấy nóng nhiên liệu:
Phương pháp này dựa trên đặc tính thay đổi của độ nhớt theo nhiệt độ . Nhiệt độ trong khoảng 30oC - 80oC sẽ làm độ nhớt thay đổi nhiều, ngược lại khi nhiệt độ vượt trên 80oC thì độ nhớt thay đổi rất ít. Độ nhớt của dầu thực vật sẽ giảm khi nhiệt độ tăng lên, bởi vậy sấy nóng được coi là một phương pháp hữu hiệu làm giảm độ nhớt của dầu thực vật .
Khi động cơ diesel làm việc ở chế độ ổn định thì nhiệt độ của nhiên liệu ở sau bơm cao áp thay đổi trong phạm vi từ 35 – 40oC. Trong khoảng nhiệt độ này thì độ nhớt của dầu thực vật thay đổi từ 25-35mm2/s, cao hơn 10 lần so với độ nhớt của dầu diesel. Để đạt được độ nhớt của nhiên liệu diesel thì cần tăng nhiệt độ của dầu thực vật lên (60-80)oC, bởi vì độ nhớt giảm rất ít khi nhiệt độ vượt trên 80oC .
Tăng nhiệt độ lên quá cao làm thay đổi trạng thái nhiệt và ảnh hưởng xấu đến hệ thống cấp nhiên liệu. Mặt khác phương pháp này không cải thiện được trị số cetane của dầu thực vật,… do đó phương pháp này chỉ thích hợp để áp dụng đồng thời với phương pháp khác, nhằm mục đích tăng khả năng lưu thông của dầu thực vật, đặc biệt khi động cơ làm việc trong môi trường có nhiệt độ thấp.
2.2.2 Phương pháp pha loãng:
Phương pháp pha loãng là một trong những phương pháp đơn giản làm giảm độ nhớt, có thể sử dụng các dung môi pha loãng khác nhau .
Pha loãng không chỉ làm giảm độ nhớt của dầu thực vật mà nó còn cải thiện được một số chỉ tiêu khác của dầu như: trị số cetane lớn hơn, nhiệt độ đông đặc thấp hơn,…
Có thể hình dung quá trình craking dầu thực vật gần giống như quá trình craking dầu mỏ. Nguyên tắc cơ bản của quá trình là cắt ngắn mạch hydrocacbon của dầu thực vật dưới tác dụng của nhiệt độ và chất xúc tác. Sản phẩm thông thường bao gồm: nhiên liệu khí, xăng, nhiên liệu diesel và một số sản phẩm phụ khác .
Nhiên liệu có được sau quá trình craking có tính chất gần giống với nhiên liệu diesel. Craking có thể được thực hiện trong môi trường không khí hoặc trong môi trường khí trơ .
Nhược điểm cơ bản của phương pháp này là tốn năng lượng để điều chế nhiên liệu. Sản phẩm thu được bao gồm nhiều thành phần nhiên liệu khác nhau và đặc biệt là khó thực hiện ở quy mô không lớn. Vì vậy phương án đưa ra chỉ mang tính tham khảo mà không đi sâu vào nghiên cứu.
2.2.4 Phương pháp nhũ tương hoá dầu thực vật:
Nhiên liệu ban đầu là dầu thực vật, rượu và chất tạo sức căng bề mặt với thiết bị tạo nhũ có thể tạo ra nhũ tương dầu thực vật-rượu, trong đó các hạt rượu được phân bố đều trong nhũ tương .
Ưu điểm nhiên liệu có dạng nhũ có độ nhớt tương đương dầu diesel, tỷ lệ rượu càng lớn thì độ nhớt của nhũ tương càng giảm. Tuy nhiên, lúc đó để tạo ra các hạt nhũ tương nhỏ, khả năng phân lớp của các hạt nhũ tương tăng lên. Kết quả là nhũ tương kém đồng nhất và cần thiết phải áp dụng các biện pháp bảo quản nhũ tương trong thời gian dài.
2.2.5 Phương pháp ester hoá (điều chế Biodiesel):
Phương pháp ester hoá dầu thực vật là phương pháp được chú ý trong thời gian gần đây, nguyên lý chuyển hoá cơ bản có thể miêu tả như là phản ứng của một phần tử glyceride (axit béo không no, có độ nhớt cao) và ba nguyên
Nhiên liệu dầu thực vật và rượu ít nước (điều kiện phản ứng là xúc tác và nhiệt độ trung bình) lúc này lần lượt các liên kết R1CO_, R2CO_, R3CO_, bị tách ra khỏi phân tử glyceride và đính vào các nguyên tử hydro và rượu. Các sản phẩm đầu tiên là diglyceride và cuối cùng là glycerine
Sơ đồ phương pháp ester hoá (Hình 2.1): Glycerine dễ dàng được tách ra khỏi ester và sử dụng trong các ngành công nghiệp khác. Sản phẩm cuối cùng có thể đạt 95 – 98% về trọng lượng sản phẩm ban đầu tham gia phản ứng.
2.3 Triển vọng của việc sử dụng dầu Jatropha làm nhiên liệu cho động cơ diesel: diesel:
Phát hiện quan trọng nhất từ Jatropha là lấy hạt làm nguyên liệu sản xuất dầu diesel sinh học.
Hạt Jatropha có hàm lượng dầu trên 30%, từ hạt ép ra dầu thô, từ dầu thô tinh luyện được diesel sinh học và glyxerin. Mặc dầu diesel sinh học được sản xuất từ nhiều loại nguyên liệu: cải dầu, hướng dương, đậu tương, dầu cọ, mỡ động vật…, nhưng sản xuất từ Jatropha vẫn có giá thành rẻ nhất, chất lượng tốt, tương đương với dầu diesel hóa thạch truyền thống.
Nếu 1 ha Jatropha đạt năng suất 8-10 tấn hạt/ha/năm có thể sản xuất được 3 tấn diesel sinh học. Loại dầu này sẽ thay thế được 1 phần dầu diesel truyền thống đang cạn kiệt, giảm thiểu được lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính, là loại dầu cháy hết và không có lưu huỳnh, là dầu sạch, thân thiện với môi trường.
Hạt Jatropha sau khi ép dầu, 30% là sản phẩm dầu, 70% là khô dầu, có hàm lượng protein khoảng 30%, dùng làm phân hữu cơ quý, nếu khử hết độc tố có thể làm thức ăn gia súc cao đạm.
Một ha Jatropha, giả thiết đạt 10 tấn hạt/ha/năm sẽ thu được các loại sản phẩm chủ yếu có giá trị cao như sau:
- dầu diesel sinh học: 3 tấn x 700 USD/tấn = 2.100 USD - bã khô dầu: 7 tấn x 300 USD/tấn = 2.100 USD
Như vậy 1 ha Jatropha tạo ra giá trị khoảng 4.200 USD/năm (hơn 60 triệu đồng/ha/năm), lợi nhuận thu được sẽ phân phối cho nông dân sản xuất nguyên liệu và nhà đầu tư công nghiệp chế biến dầu.
Jatropha còn tạo ra hiệu ứng xã hội cực kỳ to lớn. Do trồng ở các vùng miền núi nghèo túng, cây Jatropha sẽ tạo nhiều việc làm và thu nhập khả quan cho đồng bào các dân tộc, trong khi cho đến nay, trên đất dốc còn lại của các
vùng này vẫn chưa tìm kiếm được bất cứ cây gì khả dĩ trồng được trên diện tích lớn, có thu nhập cao, lại có thị trường ổn định. [6]
2.4 Phương pháp dùng dầu Jatropha làm nhiên liệu:
Việt Nam là nước có khí hậu cận nhiệt đới với thảm thực vật phong phú do đó nguồn nguyên liệu cho việc sản xuất dầu thực vật cũng phong phú theo. Dầu thực vật Việt Nam được chế biến từ các nguyên liệu có nguồn gốc thực vật gồm: Đậu nành, đậu tương, đậu phụng (lạc), vừng, dừa, cám gạo…trong đó phổ biến nhất là dầu dừa: 39.320 tấn, đậu nành 29.170 tấn và lạc 17.800 tấn - số liệu năm 2005 [5] và gần đây nhất là dầu Jatropha với nhiều triển vọng. Thành phần chủ yếu của các lọai dầu này là Ester của axit béo và glycerine. Đặc điểm của dầu thực vật nguyên chất là có độ nhớt cao, tan tốt trong các dung môi hữu cơ không phân cực như Ete, acetone…
Hỗn hợp nhiên liệu dầu Jatropha-diesel (J-D) không có chất xúc tác là sản phẩm của quá trình pha trộn theo tỷ lệ phần trăm giữa dầu Jatropha và dầu diesel. Đây là giải pháp nhằm làm giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu diesel truyền thống, sử dụng cho động cơ đốt trong. Tuy nhiên độ nhớt quá lớn so với diesel, ma sát nội giữa các phần tử của dầu cao, cản trở sự chảy của dầu trong đường ống, làm khả năng thông qua của dầu trong bầu lọc kém, chất lượng phun nhiên liệu và hòa trộn hỗn hợp xấu làm thời gian cháy kéo dài và cháy không hoàn toàn lượng nhiên liệu được cấp vào buồng đốt gây ảnh hưởng xấu đến các chỉ tiêu kinh tế và hiệu quả của động cơ.
Để sử dụng dầu Jatropha làm nhiên liệu, cần áp dụng những phương pháp xử lý dầu để tính chất của nó gần giống với nhiên liệu diesel.
2.4.1 Điều chế thành biodiesel sinh học:
Quy trình công nghệ ester hóa dầu Jatropha cũng giống như quy trình công nghệ ester hóa dầu thực vật đã nêu trên, tuy nhiên với các quy trình phức tạp và giá thành của thiết bị còn quá cao nên đây không phải là giải pháp tối ưu.
2.4.2 Sấy nóng dầu Jatropha:
Như đã biết, độ nhớt của dầu thực vật nói chung không giảm hoặc giảm rất ít khi nhiệt độ của nó > 800C, do vậy, nếu chỉ gia tăng nhiệt độ thì dầu Jatropha vẫn còn độ nhớt cao hơn nhiều so với dầu diesel truyền thống. Tăng nhiệt độ lên quá cao sẽ tạo bọt trong hệ thống nhiên liệu, cản trở việc cung cấp liên tục nhiên liệu, gây chết máy. Mặt khác phương pháp này không cải thiện được các chỉ tiêu khác của dầu Jatropha như: trị số cetan, nhiệt trị…
2.4.3 Pha loãng và gia nhiệt:
Trên cơ sở phân tích ở trên, ta chọn phối hợp hai giải pháp: pha dầu Jatropha vào dung môi là dầu diesel và gia nhiệt hỗn hợp sao cho độ nhớt tương đương với dầu diesel.
2.5 Giải pháp tạo mẫu nhiên liệu từ hỗn hợp dầu Jatropha + diesel: 2.5.1 Chọn tỉ lệ pha: 2.5.1 Chọn tỉ lệ pha:
Pha theo nấc thang tối thiểu + 5%, vì ở khoảng đó mới có thể nhận biết được sự thay đổi độ nhớt của hỗn hợp. Ở mỗi nhiệt độ gia nhiệt thì độ nhớt của hỗn hợp có sự khác nhau do đó lần lượt pha đến cận trên là tỉ lệ 22,5% Jatropha, ở tỉ lệ này với nhiệt độ sấy 80 oC độ nhớt hỗn hợp nằm dưới cận trên độ nhớt tiêu chuẩn của dầu diesel đo trên cùng thiết bị . Vì vậy, pha hỗn hợp J-D với các tỷ lệ phần trăm và độ nhớt đo được theo nhiệt độ gia nhiệt như sau:
Như đã biết, để đo độ nhớt của chất lỏng người ta dùng nhớt kế. Trên thị trường hiện nay có nhiều loại nhớt kế, nhưng tất cả đều hoạt động theo một nguyên lý chung là đo thời gian mà một đơn vị thể tích mẫu thử chảy qua một lỗ tiêu chuẩn của nhớt kế trong điều kiện quy ước.
Ở nhiều nước Châu Âu và Việt Nam, độ nhớt quy ước của dầu thường được xác định bằng nhớt kế Engler. Độ nhớt Engler được tính như sau:
0 1 0 t t E (2.1) Trong đó: 0 E - độ nhớt Engler ở t0C
t1 - thời gian cần thiết để cho mẫu thử chảy qua ống tiêu chuẩn t0 - thời gian cần thiết để cho nước cất chảy qua ống tiêu chuẩn
Bảng 2.3: Độ nhớt hỗn hợp J-D theo tỷ lệ %J và nhiệt độ gia nhiệt
T(oC) %J 0E 5% 1.25 600C 10% 1.29 5% 1.21 10% 1.26 700C 15% 1.27 5% 1.17 10% 1.22 15% 1.24 20% 1.29 800C 22.5% 1.31
Theo công thức (2.1), xác định độ nhớt hỗn hợp J-D bằng dụng cụ đo độ nhớt “ LABORMMUSZERIPARIMUVEK ” như sau:
Cho 250ml nước cất ở 200C vào nhớt kế sau đó tính thời gian cần thiết để 200ml nước cất chảy qua thiết bị đó.
Tương tự, cho 250ml hỗn hợp J-D vào nhớt kế sau đó tính thời gian cần thiết để cho 200ml hỗn hợp J-D chảy qua nhớt kế.
Kết quả thông số độ nhớt hỗn hợp nhiên liệu J-D và gia nhiệt đo được cho trong bảng 2.1.
2.5.2 Xác định tỉ lệ hỗn hợp và nhiệt độ sấy tối ưu:
Hình 2.2:Dụng cụ đo độ nhớt LABORMMUSZERIPARIMUVEK
Như đã trình bày, nhiệt độ sấy dầu Jatropha không nên vượt quá 80 oC, nhiệt độ này tương hợp khi sử dụng các phương pháp gia nhiệt khác nhau để gia nhiệt cho hỗn hợp như dùng nước làm mát để sấy nhiên liệu, nhằm giảm thời gian và năng lượng dùng cho bộ sấy.
Ấn định nhiệt độ sấy là 800C để pha dầu Jatropha vào hỗn hợp với tỷ lệ lớn nhất có thể.
2.5.3 Kết luận:
Trong quá trình pha chế, gia nhiệt và tiến hành đo độ nhớt của các hỗn hợp, ta nhận thấy ở nhiệt độ 800C, hỗn hợp diesel+ 22,5%J đạt được độ nhớt tương đương với độ nhớt của dầu diesel đo trên cùng một thiết bị. Do đó hỗn hợp này được chọn làm nhiên liệu để tiến hành chạy thử nghiệm.
2.6 Gải pháp kỹ thuật:
2.6.1 Phương pháp pha hỗn hợp:2.6.1.1 Pha thủ công bằng tay: 2.6.1.1 Pha thủ công bằng tay:
Phương pháp này không khả thi trong thực tế, vì pha chế thủ công bằng tay sẽ không đảm bảo cho sự đồng nhất hỗn hợp sau khi pha, mặt khác quá trình này không thể áp dụng ở quy mô lớn nên chỉ áp dụng trong quá trình tạo mẫu thử nghiệm.
2.6.1.2 Pha nhiên liệu theo qui mô công nghiệp:
Hỗn hợp nhiên liệu J-D theo tỉ lệ 22,5%J được pha chế ngay trong các nhà máy quy mô lớn và được phân phối đến các điểm cấp nhiên liệu.
Khi sử dụng hỗn hợp này chỉ cần thêm động tác gia nhiệt đến 800C và đưa vào sử dụng kết hợp với các thiết bị đồng thể hóa nhiên liệu.
2.6.1.3 Thiết bị đồng thể hóa hỗn hợp nhiên liệu:
Theo phương pháp thực hiện, máy đồng thể có thể chia ra làm 2 loại: thiết bị với cơ cấu công tác quay và thiết bị với cơ cấu công tác cố định (không chuyển động).
Hiện nay trên thị trường có nhiều loại máy đồng thể có thể được giới thiệu như sau:
+ Máy đồng thể loại van. + Máy đồng thể loại quay. + Máy đồng thể loại rung. + Máy đồng thể siêu âm. + Máy đồng thể thủy động.
Qua phân tích các các loại thiết bị đồng thể khác nhau cho thấy thiết bị đồng thể thủy động (MĐTTĐ) làm việc theo nguyên tắc xâm thực là có thể ứng dụng để xử lý hỗn hợp nhiên liêu J-D. Thiết bị này có kết cấu đơn giản, tiêu thụ năng lượng thấp phù hợp với động cơ diesel công suất nhỏ.
Sơ đồ cấu tạo của máy đồng thể như trên hình 2.3. Trong thiết bị này chất lỏng dưới áp suất chảy qua khe hẹp với tốc độ lớn va đập vào thành A tạo quá trình đồng thể.
Ngoài ra, so với các máy đồng thể loại cơ khí và van, MĐT loại này không cần có bơm cao áp chuyên dùng (với áp suất bơm đến 16 ÷ 25 MPa), bảo đảm sự làm việc của MĐTTĐ là phân tán chất không tan lẫn trong dầu, và có thể lắp đặt dễ dàng. Kích thước tổng thể của MĐTTĐ loại này được xác định bởi năng suất của bơm đảm bảo cho MĐT làm việc và thường có kích thước nhỏ hơn so với các loại MĐT khác có cùng năng suất. Năng suất của
A
Hình 2.3: Sơ đồ cấu tạo máy đồng thể thủy động
MĐTTĐ có thể lựa chọn trong giới hạn rộng phụ thuộc vào thể tích và chất lượng hỗn hợp nhiên liệu cần xử lý, điều này các loại MĐT khác không thể đáp ứng được.
Nguyên lý làm việc của máy đồng thể thủy động-siêu âm:
Đặc điểm của đầu máy đồng thể này (Hình 2.4) là sự kết hợp giữa máy đồng thể thuỷ động và dao động siêu âm tự phát sinh do dao động đàn hồi của chất lỏng trong buồng cộng hưởng. Ưu điểm của của loại đồng thể này là kích thước nhỏ gọn, tiêu hao năng lượng ít.
Nguyên tắc quá trình đồng thể thuỷ động được giải thích theo sơ đồ trên Hình 2.5.
Hình 2.5: Sơ đồ cơ chế quá trình đồng thể thuỷ động
1. Sự biến dạng của hạt chất lỏng không tan, 2. Gradient tốc độ chất lỏng ; A. Vùng xảy ra quá trình đồng thể.
Ban đầu quả cầu chất không tan bị dồn đến ở cửa vào của kênh hẹp có tốc độ dòng chảy tăng dần, hình dạng quả cầu bị kéo dài thành hình elip. Sau đó trong khe hẹp, trường tốc độ dòng chảy tiếp tục tăng lớn kéo dài hình elip thành hình trụ tròn xoay, quá trình này làm tăng diện tích bề mặt của quả cầu lớn hơn diện tích bề mặt ban đầu. Đây là quá trình tiêu hao năng lượng để thắng các lực hút phân tử và sức căng bề mặt của quả cầu. Khi thoả mãn điều