4. đối tượng và phạm vi nghiên cứụ
1.5.Tình hình nghiên cứu nhiên liệu Jatropha cho ựộng cơ ựốt trong
Cây Jatropha thuộc họ Thầu dầu, Jatropha có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp, ghép từ hai chữ Iatrós (bác sĩ) và trophé (thức ăn), ám chỉ công dụng làm thuốc của cây nàỵ Curcas là tên gọi thông thường của cây Physic nut ở Malabar, Ấn độ. Tên thông dụng ở các nước hiện nay là Jatropha, ở Việt Nam gọi là cây Cọc giậu, Cọc rào, Cây li, Ba ựậu nam, Dầu mè,vv...
Jatropha là một loài cây có lịch sử 70 triệu năm, nguồn gốc từ Mexico (nơi duy nhất có hóa thạch của cây này) và Trung Mỹ, ựược người Bồ đào Nha ựưa qua Cape Verde, rồi lan truyền sang châu Phi, châu Á, sau ựó ựược trồng ở nhiều nước, trở thành cây bản ựịa ở khắp các nước nhiệt ựới, cận nhiệt ựới trên toàn thế giớị Hiện nay nhiều nước trên thế giới ựang chạy ựua phát triển cây Jatropha ựể làm nguyên liệu sản xuất Diesel sinh học.
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ kỹ thuật... ... 22
Jatropha vốn dĩ là một cây dại, bán hoang dại mà người dân các nước trồng chỉ ựể làm bờ rào và làm thuốc, nhưng với những phát hiện mới của khoa học, ựã cho thấy Jatropha có tiềm lực giá trị cực kỳ to lớn, ựược ựánh giá rất cao, thậm chắ ựã có những lời ca ngợi có phần quá ựáng, nhưng dù sao, Jatropha vẫn là một loại cây hết sức quý giá mà loài người phải quan tâm khai thác tốt những giá trị sinh học của cây nàỵ
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. Mặc dầu Diesel sinh học ựược sản xuất từ nhiều loại nguyên liệu: cải dầu, hướng dương, ựậu tương, dầu cọ, mỡ ựộng vậtẦ, nhưng sản xuất từ Jatropha vẫn có giá thành rẻ nhất, chất lượng tốt, tương ựương với dầu Diesel hóa thạch truyền thống.
Trên hình 1.3 là hình ảnh phương pháp ép lấy dầu thô trực tiếp từ hạt Jatrophạ
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ kỹ thuật... ... 23
Nếu 1 ha Jatropha ựạt năng suất 8-10 tấn hạt/ha/năm có thể sản xuất ựược 3 tấn Diesel sinh học. Loại dầu này sẽ thay thế ựược 1 phần dầu Diesel truyền thống ựang cạn kiệt, giảm thiểu ựược lượng khắ thải gây hiệu ứng nhà kắnh, là loại dầu cháy hết và không có lưu huỳnh, là dầu sạch, thân thiện với môi trường. đặc biệt hạt Jatropha không dùng ựể ép dầu ăn và có thể mọc trên những vùng ựất khô cằn, cho nên giá thành sản xuất sẽ rẻ hơn so với các loại hạt có dầu truyền thống khác.
Do chi phắ cho việc trồng cây nhiên liệu lấy dầu thấp, hơn nữa chúng lại rất sẵn trong tự nhiên, Diesel sinh học có thể ựược sản xuất ra với chi phắ thấp hơn nhiều so với Diesel lấy từ dầu mỏ. Diesel sinh học có thể giải quyết ựược bài toán hiệu ứng nhà kắnh và sự cạn kiệt của nhiên liệu hóa thạch. Trên thực tế dầu Jatropha ựã ựược nghiên cứu chuyển hóa thành Biodiesel qua quá trình este hóa và ựược sử dụng cho ựộng cơ.
Tuy nhiên vấn ựề sử dụng trực tiếp dầu Jatropha không qua este hóa nó sẽ mang lại nhiều lợi ắch như, không phải ựầu tư thiết bị và công nghệ lớn, thúc ựẩy phát triển sản xuất nông nghiệpẦVì vậy việc nghiên cứu sử dụng trực tiếp dầu Jatropha là vấn ựề cần thiết góp phần tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch, giảm thiểu hiệu ứng nhà kắnh, thân thiện với môi trường vvẦ
Luận văn này giới thiệu một số kết quả bước ựầu nghiên cứu sử dụng trực tiếp dầu Jatropha thay thế nhiên liệu Diesel truyền thống cho một số loại ựộng cơ Diesel phổ biến tại Việt Nam. Các nguyên liệu có nguồn gốc hóa thạch nếu có phải sử dụng phối hợp thì liều dùng với lượng càng ắt càng tốt. đó là lý do dầu Jatropha ựược chọn ựể nghiên cứụ
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ kỹ thuật... ... 24
CHƯƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Phân tắch tắnh chất nhiên liệụ
2.1.1. Tắnh chất nhiên liệu diesel (Do).
Dầu Diesel ựược ựặt tên theo nhà sáng chế Rudolf Diesel, và có thể ựược dùng trong loại ựộng cơ ựốt trong mang cùng tên, ựộng cơ Diesel. Các chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu Diesel ựược phân tắch trên bảng 2.1
Bảng: 2.1. Chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu Diesel (TCVN 5689:2005)
TT Tên chỉ tiêu Mức Phương pháp thử
1 Hàm lượng lưu huỳnh, mg/kg, max. 500 2500
TCVN 6701:2002 (ASTM D 2622)/ ASTM D 5453
2 Chỉ số Cetane, min. 46 ASTM D4737
3 Nhiệt ựộ cất, OC, 90% thể tắch, max. 360 TCVN 2698:2002/
(ASTM D 86)
4 điểm chớp cháy cốc kắn, OC, min. 55
TCVN 6608:2002 (ASTM D 3828)/ ASTM D 93 5 độ nhớt ựộng học ở 400C, mm2/s. 2-4,5 TCVN 3171:2003 (ASTM D445) 6
Cặn các bon của 10% cặn chưng cất, %
khối lượng, max. 0,3
TCVN 6324:1997 (ASTM D 189)/ ASTM D 4530
7 điểm ựông ựặc, OC, max. +6 TCVN 3753:1995/
ASTM D 97
8 Hàm lượng tro, % khối lượng, max. 0,01 TCVN 2690:1995/
ASTM D 482
9 Hàm lượng nước, mg/kg, max. 200 ASTM E203
10 Tạp chất dạng hạt, mg/l, max. 10 ASTM D2276
11 Ăn mòn mảnh ựồng ở 50oC, 3 giờ, max. Loại 1 TCVN 2694:2000/
(ASTM D130-88)
12 Khối lượng riêng ở 15oC, kg/m3 820-860
TCVN 6594:2000 (ASTM D 1298)/ ASTM 4052
13 độ bôi trơn, ộm, max. 460 ASTM D6079
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ kỹ thuật... ... 25
Hàm lượng lưu huỳnh.
Lưu huỳnh là một trong những thành phần quan trọng ựáng lưu ý trong dầu mỏ nói chung và xăng nói riêng. Nếu hàm lượng S vượt quá giới hạn cho phép sẽ gây ra quá trình ăn mòn cho thiết bị và ựặc biệt với sự có mặt của H2S khi không cháy hết thải ra không khắ sẽ gây ô nhiễm môi trường. Như chúng ta ựã biết lưu huỳnh trong dầu thô cũng như trong các sản phẩm của nó tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau như: Lưu huỳnh dạng nguyên tố, H2S, mercapthane, sulfur, disulfur, dị vòng,vvẦ tuỳ theo dạng tồn tại của nó mà nó có thể gây ăn mòn trực tiếp hay gián tiếp. Nếu như trong nhiên liệu xăng lưu huỳnh tồn tại chủ yếu dưới dạng mercapthane gây ăn mòn trực tiếp thì trong nhiên liệu Diesel dạng tồn tại này hầu như không còn nữa, mà chủ yếu dưới dạng sulfur, disulfur hay dị vòng không có khả năng ăn mòn trực tiếp mà chúng chỉ gây ăn mòn khi bị cháy trong ựộng cơ ựể tạo ra SO2, sau ựó nó có thể chuyển một phần thành SO3. Phần lớn lượng khắ này thoát ra ngoài cùng khắ cháy, nhưng có thể một phần nhỏ lọt qua các xecmăng ựể vào trong carter chứa dầu và khi nhiệt ựộ trong carter này xuống thấp thì chúng kết hợp với hơi nước ựể tạo ra các axit tương ứng gây ăn mòn các bề mặt chi tiết khi dầu ựược bơm trở lại các bề mặt bôi trơn. Chỉ tiêu này cho phép ta theo dõi ựược hàm lượng lưu huỳnh của các sản phẩm dầu mỏ khác nhau và các phụ gia có lưu huỳnh, từ ựó có thể dự ựoán các tắnh chất sử dụng, bảo quản. Hàm lượng lưu huỳnh tổng (Total Sulfur Content) có thể ựược xác ựịnh bằng nhiều phương pháp, trong ựó ASTM D4294 ựược xem là một phương pháp khá thông dụng, dựa trên nguyên lý hấp thụ của phổ huỳnh quang tia X ( Energy Dispersive X-Ray Fluorescence Spectrometry).
Trị số Cetanẹ
Là một ựơn vị ựo quy ước ựặc trưng cho tắnh tự bốc cháy của nhiên liệu Diesel và ựược ựo bằng % thể tắch hàm lượng n-cetane (C16H34) trong hỗn hợp
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ kỹ thuật... ... 26
của nó với methyl naphthalene ở ựiều kiện tiêu chuẩn. ( Theo quy ước, methyl naphthalene có trị số cetane = 0 và n-cetane có trị số cetane = 100). Trị số cetane ựược xác ựịnh theo phương pháp thử ASTM D.976 hoặc D.4737 Trị số cetane, ngoài ý nghĩa là thước ựo chất lượng cháy của nhiên liệu còn ảnh hưởng ựến sự cháy kắch nổ. Yêu cầu của trị số cetane phụ thuộc vào thiết kế, kắch thước, ựặc ựiểm của sự thay ựổi tốc ựộ và tải trọng của ựộng cơ, phụ thuộc vào thời ựiểm khởi ựộng, ựiều kiện khắ quyển. Sự gia tăng trị số Cetan khi vượt quá giá trị thực tế yêu cầu sẽ không cải thiện ựược tắnh năng của ựộng cơ về mặt vật chất. Người ta dùng một ựộng cơ CFR ựã ựược tiêu chuẩn hoá ựể tiến hành phép thử dưới những ựiều kiện chuẩn về nhiệt ựộ không khắ, tốc ựộ, tốc ựộ nhiên liệu và nhiệt ựộ làm lạnh. Tỉ lệ nén có thể thay ựổi ựược và ựược ựo so với một thời gian trễ chuẩn. Bởi vậy ý nghĩa chung của chất lượng cháy là nhiên liệu có thời gian trễ cháy thắch hợp trong ựộng cơ. Một chỉ số cetane cao, vượt quá 48 là cần thiết cho ựộng cơ tốc ựộ cao nhưng một ựộng cơ tốc ựộ thấp không ựòi hỏi như vậy bởi vì nó ựòi hỏi nhiều thời gian cho sự cháỵ Ở nhiệt ựộ không khắ cao hơn hay sự trộn không khắ vào nhiên liệu kĩ càng hơn sẽ cần nhiên liệu với chỉ số cetane thấp hơn ở cùng một tốc ựộ. Thật vậy, mối quan hệ giữa tốc ựộ ựộng cơ và chỉ số Cetane là gần ựúng ựược chỉ ra trên bảng 2.2.
Bảng 2.2 Mối quan hệ giữa tốc ựộ ựộng cơ và chỉ số Cetanẹ
Tốc ựộ ựộng cơ (v/ph) Chỉ số cetane thắch hợp > 1500 60 ọ 50 1500 ọ 800 55 ọ 45 800 ọ 400 50 ọ 35 400 ọ 100 40 ọ 30 < 100 30 ọ 15
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ kỹ thuật... ... 27
Hình 2.1 Thiết bị ựo Flash Point PMCC theo ASTM D93
Ảnh hưởng của việc sử dụng nhiên liệu có chỉ số Cetane quá thấp là tập trung quá nhiều nhiên liệu trong xilanh trước khi sự cháy xảy ra, như thế một áp lực cao sẽ ựược hình thành và trở nên nghe thấy Ộtiếng gõ DieselỢ. để làm tăng chỉ số Cetane của dầu người ta thường dùng phụ gia ethyl nitrate, C2H5ONO2, iso- amyl nitrate hay acetoperoxidẹ Khi thêm các lượng nhỏ từ 1 ọ 1,5% các chất trên sẽ làm tăng chỉ số Cetan lên 23 ọ 29%. Một ựiều bất tiện là khi thêm các chất làm tăng chỉ số cetane sẽ làm cho ựộng cơ khó khởi ựộng ở ựiều kiện lạnh, vì thế việc sử dụng các phụ gia loại này không ựược phổ biến.
điểm chớp cháy cốc kắn.
Nhiệt ựộ bắt cháy cốc kắn hay còn gọi là Flash point PMCC (Pensky-Martens Closed Cup) là nhiệt ựộ thấp nhất ở ựiều
kiện áp suất không khắ, mẫu nhiên liệu thử nghiệm hầu như bắt cháy khi ngọn lửa xuất hiện và tự lan truyền một cách nhanh chóng trên bề mặt của mẫụ Nhiệt ựộ bắt cháy ựược xác ựịnh theo tiêu chuẩn ASTM D.93, sử dụng thiết bị chớp cháy cốc kắn Pensky-Martens hình 2.1
Nếu thiết bị ựo ựộ chớp cháy dùng cốc hở thì sẽ ựược gọi là điểm chớp cháy cốc hở Flash Point COC (Cleveland Open Cup). Nhiệt ựộ chớp cháy cốc kắn sẽ thấp hơn nhiệt ựộ chớp cháy cốc hở và
sự chênh lệch giữa hai nhiệt ựộ này càng lớn nếu nhiệt ựộ chớp cháy nói chung của phân ựoạn càng caọ
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ kỹ thuật... ... 28
Nhiệt ựộ bắt cháy xác ựịnh xu hướng hình thành hỗn hợp có thể cháy với không khắ dưới ựiều kiện thắ nghiệm, nó là một trong các chỉ tiêu ựể ựánh giá mức ựộ dễ bắt cháy của nhiên liệu cũng như Ộthời gian cảm ứngỢ trong ựộng cơ. Nhiệt ựộ chớp cháy có ý nghĩa quan trọng ựối với quá trình vận chuyển và tồn chứa nhiên liệụ Nhiệt ựộ chớp cháy quá thấp rất dễ gây cháy nổ. Nó cũng là dấu hiệu cho thấy nhiên liệu ựã bị lẫn với các loại khác có ựộ bay hơi cao hơn. Nhiệt ựộ chớp cháy hầu như không có ý nghĩa ựối với chất lượng của nhiên liệu khi ựánh giá trên góc ựộ tắnh năng kỹ thuật của các thiết bị sử dụng nó. đối với các sản phẩm dầu mỏ thì nhiệt ựộ chớp cháy khác nhaụ Xăng có nhiệt ựộ chớp cháy khoảng -40oC, nhiên liệu cho ựộng cơ phản lực có nhiệt ựộ chớp cháy trong khoảng 28-60oC (trung bình là 40oC), Diesel có nhiệt ựộ chớp cháy trong khoảng 35 - 80oC (trung bình là 60oC) phân ựoạn dầu nhờn có nhiệt ựộ chớp cháy 120- 325oC.
độ nhớt.
độ nhớt là một ựại lượng vật lý ựặc trưng cho trở lực do ma sát nội tại sinh ra giữa các phân tử khi chúng có sự chuyển ựộng trượt lên nhaụ Vì vậy, ựộ nhớt có liên quan ựến khả năng thực hiện các quá trình bơm, vận chuyển chất lỏng trong các hệ ựường ống, khả năng thực hiện các quá trình phun, bay hơi của nhiên liệu trong buồng cháy, ựồng thời nó liên quan ựến khả năng bôi trơn của các phân ựoạn khi sử dụng làm dầu nhờn. độ nhớt có thể ựược biểu diễn theo nhiều cách khác nhau: độ nhớt tuyệt ựối (hay ựộ nhớt ựộng lực), ựộ nhớt ựộng học (Kinematics Viscosity).
Ngoài hai loại trên thì người ta còn sử dụng ựộ nhớt quy ước. đối với loại ựộ nhớt này thì tuỳ thuộc vào thiết bị sử dụng ựể ựo mà ta có các tên gọi và các kết quả khác nhau như ựộ nhơt Engler (oE), ựộ nhớt Saybolt (SSU), ựộ nhớt Redwood.
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ kỹ thuật... ... 29
độ nhớt ựộng học.
Là tỉ số giữa ựộ nhớt ựộng lực và trọng lượng riêng của nó. Trong hệ thống GCS thì ựơn vị của ựộ nhớt ựộng học ựược tắnh bằng Stoke (St), thông thường thì người ta sử dụng ước của nó là centistokes(cSt). Dưới ảnh hưởng của nhiệt ựộ, ựộ nhớt của các phân ựoạn dầu mỏ cũng thay ựổi rất nhiềụ
Một tắnh chất quan trọng ựáng chú ý của ựộ nhớt của một hỗn hợp nhiều thành phần, là tắnh chất không cộng tắnh. đây là một tắnh chất cần quan tâm khi tiến hành pha trộn nhiều phân ựoạn có ựộ nhớt khác nhau, vì khi pha trộn ựộ nhớt của hỗn hợp thực tế bao giờ cũng thấp hơn ựộ nhớt nếu tắnh toán bằng cách theo trung bình thể tắch của các thành phần hỗn hợp.
độ nhớt ựược ựo bằng cách ghi lại thời gian cần thiết ựể một lượng chất lỏng nhất ựịnh chảy qua một ống mao quản có kắch thước nhất ựịnh ở một nhiệt ựộ nhất ựịnh. độ nhớt ựộng học có thể ựược xác ựịnh theo phương pháp thử ASTM D.445
độ nhớt của nhiên liệu rất quan trọng vì nó ảnh hưởng ựến khả năng bơm và phun nhiên liệu vào buồng ựốt. độ nhớt của nhiên liệu có ảnh hưởng lớn ựến kắch thước và hình dạng của kim phun. Nhiên liệu có ựộ nhớt quá cao rất khó nguyên tử hóa, các tia nhiên liệu không mịn và khó phân tán ựều trong buồng ựốt. Kết quả là làm giảm hiệu suất và công suất ựộng cơ. đối với các ựộng cơ nhỏ, các tia nhiên liệu có thể chạm vào thành xy lanh, cuốn ựi lớp dầu bôi trơn và làm tăng ựộ lẫn nhiên liệu trong dầu nhờn. Hiện tượng các chi tiết bị ăn mòn nhanh chắnh là do nguyên nhân nàỵ
Nhiên liệu có ựộ nhớt quá thấp khi ựược phun vào xylanh sẽ tạo thành các hạt quá mịn, không thể tới ựược các vùng xa kim phun và do ựó hỗn hợp nhiên liệu Ờ không khắ tạo thành trong xylanh không ựồng nhất, nhiên liệu cháy không ựều, công suất giảm. Nhiên liệu có ựộ nhớt quá thấp có thể gây ra hiện tượng rò rỉ tại
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ kỹ thuật... ... 30
bơm, làm sai lệch kết quả ựong ựếm dẫn ựến thay ựổi tỷ lệ pha trộn không khắ- nhiên liệụ Mức ựộ mài mòn của các chi tiết trong hệ thống cung cấp nhiên liệu tăng khi ựộ nhớt của nhiên liệu giảm. độ nhớt của Diesel dùng cho các ựộng cơ cao tốc nằm trong khoảng 1.8-5.0 cSt ở 37.8oC. Thường thì người ta hay hạn chế