Tên chỉ tiêu Phương pháp thử Mức giới hạn
Trị số axit, mgKOH/g, max EN 14104 0,50 Canxi và magiê, ppm, max EN 14538 5 Cặn cacbon, % khối lượng max EN OSO 10370 0,30 Trị số Cetan, min EN ISO 5165 51,0 Điểm vẩn đục, 0C EN 14538 Báo cáo
Ăn mịn đồng, max EN ISO2160 Loại 1
Hàm lượng Este, % khối lượng, min EN 14103 96,5 % Điểm chớp cháy (cốc kín), oC, min EN 14104 130 Glycerin tự do, % khối lượng, max EN 14103, EN 14106 0,020 Glycerin tổng, % khối lượng, max EN 14105 0.250 Độ nhớt động học tại 40oC, mm2/s EN ISO 310 3,50-5,00 Hàm lượng Methanol, % khối lượng , max EN 14110 0.20 Độ ổn định ơ xy hĩa, tại 110oC, giờ, min EN 14112 6 Phospho, % khối lượng, max EN 14107 1,00 Na và Ka, ppm, max EN 14108, EN 14109 500 Tro sulphát, % khối lượng, max ISO 3987 0,020 Lưu huỳnh, % khối lượng, mg/Kg, max ASTM D 5453 10 Lưu huỳnh, ppm, max EN 14104 500 Nước và cặn, khối lượng mg/Kg, max EN ISO 12937 500
Tại Việt Nam, việc xây dựng tiêu chuẩn và quy chuẩn cho nhiên liệu diesel sinh học được tham khảo theo các tiêu chuẩn trên thế giới như tiêu chuẩn ASTM của Mỹ, tiêu chuẩn EN của Châu Âu.
1.2. Tình hình nghiên cứu sử dụng biodiesel trên Thế giới và tại Việt Nam 1.2.1. Trên Thế giới
Trên cơ sở các tiêu chuẩn về nhiên liệu biodiesel ban hành, đã cĩ rất nhiều các cơng trình trên thế giới nghiên cứu nhằm mục tiêu giảm thiểu ơ nhiễm mơi trường và hạn chế sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu truyền thống khơng tái sinh:
Ekrem Buyukkaya [17], nghiên cứu thử nghiệm để đánh giá hiệu suất, khí thải và q trình cháy của động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp (DI) khi sử dụng biodiesel với các tỷ lệ khác nhau (B5, B20, B75) cĩ nguồn gốc từ dầu hạt cải. Kết quả nghiên cứu cho thấy độ mờ khĩi (Opacity) giảm 60%, suất tiêu hao nhiên liệu (BSFC) tăng 11%, lượng khí thải CO giảm 9% với B5 và 32% với B100 so với nhiên liệu DO truyền thống. Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra thời điểm bắt đầu cháy của nhiên liệu biodiesel so với DO ở các tỷ lệ: B5; B20; B70; B100 là 7,750; 7,250; 6,500; 5,750 và DO là 8,500 CA.
Nghiên cứu của Alan C. Hansen cùng các cộng sự [13] cho thấy, mơ men xoắn giảm 9,1% khi sử dụng biodiesel B100 so với DO tại tốc độ 1900 (v/p), lý do giảm bởi sự thay đổi nhiệt trị (giảm 13,3%) và chênh lệch về khối lượng riêng, độ nhớt. Trong nghiên cứu này, các thơng số đặc tính cháy của động cơ như thời gian cháy trễ, nhiệt độ và áp suất cháy, tốc độ tỏa nhiệt cũng đã được xem sét ở nhiều tỷ lệ khác nhau.
M. Canakci, j. H. Van gerpen [36], đã tổ chức thực nghiệm đánh giá sự khác biệt của biodiesel từ dầu đậu nành cĩ tỷ lệ pha trộn khác nhau với DO trên động cơ diesel tăng áp, 4 xi lanh. Tác giả nhận thấy, khi sử dụng biodiesel, thời gian cháy trễ giảm dẫn đến thay đổi các thơng số cơng tác chủ yếu của động cơ so với khi sử dụng DO.
S.Sinha and A.K.Agarwal [40], đã nghiên cứu đặc tính cháy của động cơ diesel 4 kỳ, 4 xi lanh, khơng tăng áp cho DO và biodiesel cĩ nguồn gốc từ cám gạo với các tỷ lệ 10%, 20% và 100%. Thực nghiệm ở chế độ 50% tải tại 1400 (v/p). Kết quả cho thấy, áp suất cực đại và tốc độ tỏa nhiệt lớn nhất là DO, sau đĩ thấp dần khi tỷ lệ pha trộn tăng lên. Trong đĩ, thời điểm bắt đầu cháy của DO là muộn nhất và sớm nhất là B100.
Massling, A và cộng sự [32], nghiên cứu trên động cơ cơng suất nhỏ với các loại nhiên liệu khác nhau bao gồm: DO, 20% (B20), 100% (B100) cĩ nguồn gốc từ mỡ động vật (AFME) và 20% (B20) cĩ nguồn gốc dầu hạt cải dầu (RME). Tất cả lượng khí thải động cơ được xác định trong các chế độ làm việc khác nhau để đối chiếu với tiêu chuẩn ISO / EN 8178. Trong đĩ, bồ hĩng giảm mạnh nhất 56% khi động cơ sử dụng B20 từ hạt cải dầu so với DO.
Yuya Ozawa, Yusuke Soma [46], sử dụng Methyl ester từ dầu dừa cho động cơ diesel, kết quả cho thấy áp suất chỉ thị trung bình thấp hơn so với khi sử dụng DO. Tuy nhiên, CO và bồ hĩng giảm mạnh, tác giả khuyến cáo cần cải thiện thêm một số chỉ tiêu cho nhiên liệu để nâng cao áp suất cháy.
Tương tự như trên, khi nghiên cứu ở tỷ lệ B20 và B40, USV Prasad (2012) [43] đã khẳng định cần phải điều chỉnh thơng số phun nhiên liệu để tạo được quá trình hình thành hỗn hợp cháy hiệu quả, vì khi nâng tỷ lệ pha trộn biodiesel vào diesel thì độ nhớt và khối lượng riêng tăng lên ảnh hưởng đến quá trình phun.
Xiangang Wang và cộng sự [45], tiến hành nghiên cứu thực nghiệm về quá trình phun để đánh giá các đặc tính cháy của Biodiesel trên động cơ cỡ nhỏ của hai loại nhiên liệu sinh học bắt nguồn từ dầu cọ (BDFP) và dầu ăn đã qua sử dụng (BDFW) ở áp suất phun 100 - 200 Mpa. Các kết quả cho thấy, áp suất phun thấp thì lượng bồ hĩng phát thải cao, suất tiêu hao nhiên liệu tăng mạnh, Xiangang Wang khuyến cáo cần điều chỉnh hệ thống phun nhiên liệu.
Kandasamy Muralidharan và Palanisamy Govindarajan [27], nghiên cứu ảnh hưởng của biodiessel pha trộn cùng với sự điều chỉnh thơng số phun. Áp suất phun dao động từ 190-230 bar, mỗi bước điều chỉnh 10 bar với thời điểm phun 230 CA BTDC. Kết quả cho thấy: Áp suất phun nhiên liệu ở 220 bar, nhiên liệu B5 cĩ lượng phát thải CO và NOx thấp hơn diesel. Phát thải hydrocarbon khơng cháy tương đối cao đối với các mẫu nhiên liệu được thử nghiệm trừ B5 và B10 ở các áp suất phun.
Magı´n Lapuerta và cộng sự [33], nghiên sứu ảnh hưởng của Biodiesel đến phát thải động cơ ở các tỷ lệ pha trộn nhưng khơng quá 40% (B40). Kết quả cho thấy BSFC tăng khi sử dụng biodiesel so với mẫu khơng pha trộn, nghiên cứu nhận thấy việc giảm nhiệt trị (9-14%) là nguyên nhân chính.
A.M. Liaquat và cộng sự [11], nghiên cứu sự thay đổi hiệu suất và các đặc tính phát thải của động cơ diesel phun trực tiếp sử dụng diodiesel gốc dầu dừa pha trộn ở
các tỷ lệ CB5 (5% Biodiesel và 95% DO), CB15 (15% CB và 85% DO). Kiểm tra hiệu suất động cơ ở 100% tải, tốc độ biến đổi từ 1500 - 2400 v/p. Kết quả cho thấy đã cĩ sự giảm mơ men xoắn, tăng tiêu thụ nhiên liệu, tuy nhiên phát thải khí xả như bồ hĩng giảm so với DO. Do đĩ, A.M. Liaquat kết luận CB5 và CB15 cĩ thể sử dụng cho động cơ Diesel mà khơng cần điều chỉnh hệ thống nhiên liệu.
Yonwaba Sinuka [47], thử nghiệm động cơ diesel máy phát điện sử dụng diodiesel từ dầu Jatropha và dầu ăn phế thải. Kết quả thu được từ sản lượng điện cho thấy hỗn hợp nhiên liệu Jatropha (BDJ50) tạo ra nhiều năng lượng hơn (74,4kW) so với dầu phế thải (BDW50) là 72,8kW. Trong khi đĩ ở tỷ lệ hỗn hợp BDJ30 thu được 76,6kW, BDW30 thu được 73,6kW, BDJ10 là 79kW và BDW10 đạt 78,6kW. Yonwaba Sinuka nhận thấy khi tăng tỷ lệ pha trộn thì quá trình hình thành hỗn hợp và cháy kém đi là nguyên nhân giảm sản lượng điện năng.
Mukesh Kumar, Onkar Singh [34], nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu biodiessel đến đặc tính động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp. Khi pha trộn biodiesel gốc dầu Karanja (dầu cây sồi Ấn Độ) với tỷ lệ 10 - 50% (K10 - K50), ở tỷ lệ K50 thì hiệu suất nhiệt giảm mạnh, bồ hĩng tăng theo độ tăng của tỷ lệ pha trộn. Phát thải NOx giảm khi động cơ hoạt động ở chế độ vừa tải. Tác giả cũng khuyến cáo cần xác định thêm các thành phần phát thải HC, CO để đánh giá tồn diện về đặc tính q trình cháy của loại nhiên liệu này.
S.S. Wirawan, A.H. Tambunan [39], đánh giá đặc tính của động cơ diesel ơ tơ khi sử dụng biodiesel gốc dầu cọ. Nồng độ biodiesel gốc dầu cọ được thử nghiệm từ B0 (mẫu Diesel khơng trộn), B10, B20, B30, B50 và B100. Kết quả thực nghiệm cho thấy, mơ men xoắn, cơng suất và suất tiêu hao nhiên liệu của các tỷ lệ pha trộn đều thấp hơn so với B0, các phát thải của CO, HC, PM và CO2 cĩ xu hướng giảm mạnh ở B10 và B20. Tác giả khuyến nghị cần gia nhiệt và điều chỉnh hệ thống nhiên liệu khi sử dụng ở các tỷ lệ B50 và B100.
Gowthaman Vijayan [19], nghiên cứu chuyển hĩa dầu cá làm biodiessel cho động cơ. Trong nghiên cứu này tập trung vào quy trình chuyển hĩa dầu và xác định thời gian, nhiệt độ phản ứng cũng như chất xú tác. Kết quả nhận thấy, để cĩ sản phẩm biodiesel đạt chuẩn cần sử dụng xúc tác Candida antarctica (Novozyme 435) và Enzyme NS88001 để chuyển hố tinh dầu cá. Bên cạnh đĩ, cơng trình cũng chỉ ra rằng
nhiệt độ và thời gian chuyển hĩa đĩng vai trị rất quan trong, nĩ ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhớt của nhiên liệu sau này.
Md. Mostafuur Rahman [35], nghiên cứu cơ chế sự hình thành bồ hĩng của biodiesel cĩ thành phần cacbon cao (20,38%) và khơng bão hồ (3,46%) so với các loại nhiên liệu biodiesel thơng thường như hỗn hợp WCO và BDJ. Kết quả cho thấy, với loại nhiên liệu này sẽ tạo ra lượng phát thải hạt tương tự như nhiên liệu DO. Nghiên cứu này cũng chứng minh rằng việc gia tăng hàm lượng ơ xy trong nhiên liệu khơng thể làm giảm phát thải hạt rắn, nếu hỗn hợp dầu biodiesel chứa tỷ lệ cacbon lớn hơn 22 lần so với biodiesl thơng thường. Bên cạnh đĩ, các tính chất khác (khối lượng riêng, độ nhớt và sức căng bề mặt) là nguyên nhân dẫn đến sự hình thành các chuỗi nguyên tử hạt bồ hĩng. Vì vậy, để giảm phát thải PM thì việc xác định tỷ lệ pha trộn Biodiesel với DO cần được kết hợp với một số giải pháp khác về mặt hĩa học.
Jedidah W. Maina, Ayub N. Gitau [25], sử dụng dầu hạt dẻ để điều chế thành biodiesel và thử nghiệm xác định đặc tính của động cơ khi sử dụng hỗn hợp pha trộn là 80% (B80), 50% (B50), 20% (B20) và 5% (B5). Với tốc độ 1500 v/p, suất tiêu hao nhiên liệu của B5 thấp nhất và cao hơn nhiên liệu DO là 7,3%, cao nhất là B80 khi BSFC tăng so với dầu DO 20,3% , phát thải bồ hĩng của B5 giảm 7,6% và của B20 giảm mạnh nhất là 24,7%. Trong đĩ, nồng độ NO và NO2 của B100 cao hơn khoảng 15% so với DO. Nghiên cứu nhận thấy, việc sử dụng Biodiesel dẫn đến giảm cơng suất động cơ, BSFC tăng theo độ tăng của tỷ lệ pha trộn, điều này ảnh hưởng bởi khi trộn biodiesel vào DO sẽ làm nhiên liệu hỗn hợp cĩ mật độ và độ nhớt cao hơn.
Hasan A. M. Ali [20], khảo sát một số phương tiên giao thơng sử dụng nhiên liệu biodiessel được sản xuất từ mỡ động vật đã cho thấy áp suất cháy trong xi lanh và tốc độ tỏa nhiệt của hỗn hợp biodiesel tương tự như của nhiên liệu DO. Tuy nhiên, ở các hỗn hợp biodiesel, tốc độ tỏa nhiệt tăng nhanh hơn và đạt giá trị cực đại cao hơn so với nhiên liệu DO, điều này chủ yếu ảnh hưởng bởi thời gian cháy trễ từ một số yếu tố như: Mức độ khơng bão hịa của các liên kết trong biodiesel, số Cetan, độ nhớt động học, nhiệt độ kết tinh của các axit và hàm lượng ơ xy cĩ trong nhiên liệu.
Jintana Nina Phanthanousy [24], nghiên cứu tạo ra các tiêu chuẩn phù hợp với khả năng sản xuất diesel sinh học từ các chất thải. Trong nghiên cứu này, tác giả chủ yếu tập trung xây dựng quy trình sản xuất, thay đổi tỷ lệ chất xúc tác, nhiệt độ và thời
gian xúc tác để tạo sản phẩm biodiessel cĩ chất lượng cao, phù hợp theo tiêu chuẩn B100 quy định mà chưa thử nghiệm nhiên liệu trên động cơ.
Ahmad Syukri Bin Ahmad Tajuddin [12], nghiên cứu ảnh hưởng của việc hâm nĩng nhiên liệu biodiesel cĩ nguồn gốc từ dầu cọ, dầu ăn phế thải và dầu Jatropha trước khi sử dụng để đánh giá đặc tính phát thải của động cơ diesel. Ở nhiệt độ gia nhiệt 40°C và 60°C của các mẫu B5, B10, B15. Kết quả nhận thấy với mức tải 50% thì các chỉ tiêu cơng tác như cơng suất, mơ men đều tăng so với khi chưa gia nhiệt, nghiên cứu cũng tiến hành kiểm tra, đánh giá buồng đốt và nhận thấy độ bám muội than giảm rõ rệt.
Nghiên cứu của Łukasz Łabęcki [31] đã chỉ ra rằng, biodiesel từ hạt cải dầu (RSO) và dầu đậu nành (SO) đều cĩ áp suất cháy thấp hơn so với DO và RSO cĩ hàm lượng phát thải bồ hĩng lớn hơn so với SO. Khi điều chỉnh thời điểm phun tăng (30CA) và áp suất phun tăng lên (1200 bar) ở tỷ lệ 30% RSO đã làm giảm mạnh sự phát thải của bồ hĩng so với nhiên liệu DO. Tác giả khuyến cáo cần điều chỉnh thống số phun cho các loại nhiên liệu này khi pha trộn ở tỷ lệ cao hơn 30%.
Claudia A. Pisac [16], nghiên cứu thử nghiệm để đánh giá đặc tính q trình cháy của axít béo Methyl Ester được tổng hợp từ dầu ăn phế thải (WCO). Claudia A nhận thấy sự khác biệt giữa các nhĩm liên kết trong dầu diesel và Methyl ester là yếu tố dẫn đến thay đổi quá trình cháy, đặc biệt là thời gian cháy trễ do hĩa. Kết quả nghiên cứu cung đã chứng tỏ cấu trúc mạch hydrocarbon trong Methyl ester nhanh phá vỡ liên kết so với dầu DO bởi các thành phần hĩa học, dẫn đến giảm tốc tộ tỏa nhiệt và giảm cơng suất đến 9%.
Như vậy, tất cả các nghiên cứu trên chưa chỉ ra sự thay đổi các thơng số cơng tác chủ yếu (cơng suất, suất tiêu hao nhiên liệu…) khi sử dụng nhiên liệu B10 (điều chế từ mỡ cá da trơn) so với DO.
1.2.2. Tại Việt Nam
“Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025”
với mục tiêu chủ yếu là phát triển NLSH, một dạng năng lượng mới, tái tạo được để thay thế một phần nhiên liệu hĩa thạch truyền thống, gĩp phần bảo đảm an ninh năng lượng và bảo vệ mơi trường đã được Thủ tướng Chính phủ ký Quyết định 177/2007/QĐ-TTg phê duyệt ngày 20/11/2007. Theo Đề án này, mục tiêu đến giai đoạn 2011 - 2015, nước ta làm chủ và sản xuất các vật liệu, chất phụ gia phục vụ sản
xuất NLSH, ứng dụng thành cơng cơng nghệ lên men hiện đại để đa dạng hĩa các nguồn nguyên liệu cho quá trình chuyển hĩa sinh khối thành NLSH. Đến năm 2015, sản lượng Ethanol và dầu thực vật đạt 250 nghìn tấn, đáp ứng 1% nhu cầu xăng dầu của cả nước. Tầm nhìn đến năm 2025, cơng nghệ sản xuất NLSH ở nước ta đạt trình độ tiên tiến trên thế giới với sản lượng Ethanol và dầu thực vật đạt 1,8 triệu tấn, đáp ứng khoảng 5% nhu cầu xăng dầu của cả nước [2].
Học tập các quốc gia phát triển, trên cơ sở bộ tiêu chuẩn ATSM D6751 của Hoa Kỳ và bộ tiêu chuẩn EN 14214 của châu Âu, năm 2007 Việt Nam đã ban hành bộ tiêu chuẩn TCVN 7717:2007 (bảng 1.3) với 13 chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của biodiesel B100 và trở thành một trong các quốc gia đi tiên phong ở khu vực trong việc xây dựng, phát triển và kiểm sốt sản phẩm biodiesel.