Từ những kết quả thực nghiệm thu được ta nhận thấy:
Với hỗn hợp B15 hàm lượng nước vượt quá chỉ tiêu cho phép theo TCVN 5689- 2005. Do đó ta sẽ thực hiện tương tự các bước tiến hành thực nghiệm như trên đối với các mẫu B11-B12-B13-B14, để tìm ra tỷ lệ phối trộn tối ưu.
Bảng3.5. Kết quả thực nghiệm của các mẫu nhiên liệuDO 0.05 phối trộntheo tỷ lệ B11-B12-B13-B14 Chỉtiêu 11% 12% 13% 14% Nhiệt độ cất 90% V,oC 342 341.5 341 341 Điểm chớp cháy cốc kín,oC 68 68.3 68.8 69 Độnhớt động học mm2/s 3.730 3.786 3.841 3.897 Tỷtrọng 0.8436 0.8442 0.8445 0.8450 Điểm đơng đặc,oC 0 0 0 3 Ăn mịnđồng 1A 1A 1A 1A CI 48.28 48.19 48.11 48.02
Hàm lượng tro, % khối lượng 0.001 0.001 0.001 0.001 Cặn carbon, % khối lượng 0.088 0.13 0.112 0.125
% S 274.98 270.49 266.01 262
Hàm lượng nước, ppm 182.06 201.12 220.18 239.24
Bảng 3.6. Kết quả thực nghiệm của các mẫu nhiên liệu DO 0.25 phối trộntheo tỷ lệ B11-B12-B13-B14 Chỉtiêu 11% 12% 13% 14% Nhiệt độcất 90% V,oC 347 347 346 346 Điểm chớp cháy cốc kín,oC 67 67 68 68 Độnhớt động học mm2/s 4.078 4.127 4.175 4.224 Tỷtrọng 0.848 0.849 0.849 0.849 Điểm đơng đặc, oC 0 0 0 3 Ăn mịn đồng 1A 1A 1A 1A CI 47.97 47.88 47.79 47.70
Hàm lượng tro, % khối lượng 0.001 0.001 0.001 0.001 Cặn carbon, % khối lượng 0.099 0.111 0.1227 0.1346
% S 709.78 704.72 699.67 694.61
Nhận xét:
Từ kết quả trên ta nhận thấy: khi phối trộn nhiên liệu Diesel thương phẩm (DO 0.05 và DO 0.25) với Biodiesel tổng hợp từ dầu Jatropha mà chúng tôi sử dụng thì tỷ lệ phối trộn tối ưu có thể đạt được là 11% để đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng sản phẩm theo TCVN 5689: 2005.
3.6. Xác địnhthành phần khói thải của Diesel sau khi phối trộn
3.6.1.Thành phần các chất độchại trong khói thải động cơ Diesel
Q trình cháy hồn tồn của hỗn hợp hydrocacbon với khơng khí chỉ sinh ra CO2, H2O và N2. Tuy nhiên, do sự khơng đồng nhất của hỗn hợp một cách lí tưởng cũng như do tính chất phức tạp của các hiện tượng lí hóa diễn ra trong quá trình cháy nên trong khí xả động cơ đốt trong ln có chứa một hàm lượng đáng kể những chất độc hại như oxyt nitơ (NO, NO2, N2O, gọi chung là NOx), monoxyt carbon (CO), các hydrocacbon chưa cháy (HC). Những tạp chất, đặc biệt là lưu huỳnh cũng có ảnh hưởng đến thành phần các chất ô nhiễm trong sản phẩm cháy. Theo tiêu chuẩn hàm lượng lưu huỳnh trong Dieselthương mại không vượt quá 500 ppm đối với DO 0.05 và không vượt quá 2500 ppm đối với DO 0.25. Trong quá trình cháy, lưu huỳnh bị oxy hoá thành SO2, sau đó một bộ phận SO2 bị oxy hố tiếp thành SO3, chất có thể kết hợp với nước để tạo ra H2SO4.
Một trong những thơng số có tính tổng qt ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ là hệ số dư lượng khơng khí a.
Hình 3.9. Biến thiên nồng độ các chất ơ nhiễm theo hệ số dư lượng khơngkhí. khí.
Hình trên trình bày một cách định tính sự phụ thuộc của nồng độ NOx, CO và HC trong khí xả theo a. Động cơ đánh lửa cưỡng bức thường làm việc với hệ số dư lượng khơng khí a ≈ 1.
Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết đều cho thấy động cơ Diesel khi sử dụng nhiên liệu Biodiesel hay hỗn hợp Biodiesel thì lượng khí thải phát ra có hàm lượng CO, HC, bồ hóng đều giảm đáng kể đó là nhờ sự có mặt của nguyên tử oxy trong Biodiesel cho phép nhiên liệu cháy hoàn tồn. Với B100 có chứa đến khoảng 11% khối lượng oxy.
Bảng 3.6. Độ phát thải của B100 và B20Phát thải B100 B20 Phát thải B100 B20 HC chưa cháy Carbon Monoxide Vật chất dạng hạt NOx Sulfates
PAH (Polycyclic Aromatic Hydrocans) nPAH (Nitrated PAH)
Ozone potential of speciated HC
-67% -48% -47% +10% -100% -80% -90% -50% -20% -12% -12% +2-2% -20% -13% -50% -10%
3.6.2.Phương pháp xác định hàm lượng khói thải của động cơ Diesel Hệ thống thiết bị đo khói thải bao gồm:
- Động cơ Diesel RV 70N - Thiết bị AVL Digas 4000 - Hệ thống tải trọng 1kW
Hình 3.10. Các thiết bị đo nồng độ khói thải sử dụng nhiên liệu Diesel
Tiến hành:
Lắphệ thốngtải vào động cơ Diesel
Cho động cơ Diesel chạy ở chế độ ổn định với số vòng quay khoảng 1950 ≈ 1960 vòng/ phút.
Thay đổichế đổi tải tăng dần từ chế độ Không tải- 200W-400W-600W-800W- 1KW.
Đọc lại các thơng số khói thải hiển thị trên màn hình thiết bị AVL Digas 4000
Bảng 3.7. Nồng độ khí thải củacác mẫu thực nghiệm
Chế độ CO2% V CO% V NOXppm HC ppm B11 -0.05 Không tải 4.3 0.04 88 44 200W 5.3 0.04 90 39 400W 5.6 0.04 100 31 600W 6.1 0.04 110 28 800W 6.3 0.03 127 21 1KW 6.9 0.02 141 10 DO -0.05 Không tải 5.3 0.05 100 96 200W 5.4 0.05 108 87 400W 5.8 0.04 120 67
600W 6.2 0.04 133 62 800W 6.5 0.04 142 47 1KW 7.3 0.04 160 42 B11 -0.25 Không tải 5.3 0.03 76 79 200W 5.8 0.03 88 76 400W 6.1 0.03 93 56 600W 6.8 0.03 98 53 800W 7.1 0.02 111 37 1KW 7.6 0.02 122 32 DO -0.25 Không tải 5.7 0.09 100 97 200W 6.1 0.09 114 90 400W 6.5 0.09 123 76 600W 7.3 0.09 133 71 800W 7.4 0.09 139 67 1KW 8.0 0.09 155 62
Các kết quả thực nghiệm được biểu diễn trên biểu đồ sau:
Đối với mẫu DO-0.05 và B11-0.05 ta có các biểu đồ sau:
Hàm lượng CO2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Khơng tải 200W 400W 600W 800W 1KW
Công suất tải %V DO-0.05 B11-0.05 Hàm lượng NOx 0 40 80 120 160 Không tải 200W 400W 600W 800W 1KW
Cơng suất tải ppm
DO-0.05 B11-0.05
Hình 3.10. Sự phát thải CO2của DO-0.05 Hình 3.11. Sự phát thải NOx củaDO-0.05 DO-0.05
Hàm lượng CO 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Không tải 200W 400W 600W 800W 1KW
Công suất tải %V DO-0.05 B11-0.05 Hàm lượng HC 0 20 40 60 80 100 120 Khơng tải 200W 400W 600W 800W 1KW
Cơng suất tải ppm
DO-0.05 B11-0.05
Hình 3.12. Sự phát thải CO của DO-0.05 Hình 3.13. Sự phát thải HC của DO-0.05 0.05
và B11-0.05 và B11-0.05
Đối với mẫu DO-0.05 và B11-0.05 ta có các biểu đồ sau:
Hàm lượng CO2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Không tải 200W 400W 600W 800W 1KW
Công suất tải %V DO-0.25 B11-0.25 Hàm lượng NOx 0 20 40 60 80 100 120 Khơng tải 200W 400W 600W 800W 1KW
Cơng suất tải ppm
DO-0.25 B11-0.25
Hình 3.14. Sự phát thải CO2của DO-0.25 Hình 3.15. Sự phát thải NOx củaDO-0.25 DO-0.25 và B11-0.25 và B11-0.25 Hàm lượng CO 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Không tải 200W 400W 600W 800W 1KW
Công suất tải %V DO-0.25 B11-0.25 Hàm lượng HC 0 40 80 120 160 Không tải 200W 400W 600W 800W 1KW
Cơng suất tải ppm
DO-0.25 B11-0.25
Hình 3.16. Sựphát thải CO của DO-0.25 Hình 3.17. Sự phát thải HC củaDO-0.25 DO-0.25
và B11-0.25 và B11-0.25
Nhận xét:
Dựa vào bảng số liệu thu được và thực nghiệm và các biểu đồ so sánh ở trên ta thấy rằng khi phối trộn Biodiesel vào Diesel thương phẩm thì nồng độ các khí độc hại như CO, HC, NOx đều giảm, đây là một ưu điểm của Biodiesel đối với việc bảo vệ môi trường cũng như sức khỏe con người. Đặc biệt hiện nay, khi số lượng động cơ Diesel đang được sử dụng ngày một rộng rãi thì hàm lượng khí CO2 giảm có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm hiệu ứng nhà kính. Tuy nhiên việc phát thải khí khơng chỉ phụ thuộc vào loại nhiên liệu mà cịn phụ thuộc vào từng loại động cơ và cơng suất hoạt động của động cơ, vì vậy bảng số liệu trên chỉ mang tính chất tham khảo
3.7. Nhận xét chung
Q trình thực nghiệm nhằm mục đích khảo sát các tính chất của các mẫu Diesel sau khi phối trộn với Biodiesel tổng hợp từ dầu Jatropha. Đồng thời khảo sát hàm lượng Biodiesel lớn nhất có thể pha vào Diesel thương phẩm mà vẫn đạt được các tiêu chuẩn theo TCVN 5689: 2005.
Từ những kết quả thực nghiệm như trên ta rút ra được những nhận xét như sau: -Khi phối trộn Biodiesel vào Diesel thương phẩm theo các tỷ lệ 5-10-15-20-25- 30% thể tích, các chỉ tiêu về tỷ trọng, điểm chớp cháy cốc kín, độ nhớt động học tại 40oC, hàm lượng lưu huỳnh, độ ăn mòn mảnh đồng, nhiệt độ cất 90% thể tích, hàm lượng tro, chỉ số CI đều thỏa mãn TCVN 5689:2005 về nhiên liệu Diesel thương phẩm. Tuy nhiên, hàm lượng nước tăng đáng kể khi tăng hàm lượng Biodiesel, mặt khác hàm lượng cặn carbon cũng tăng theo tỷ lệ phối trộn. Do đó cần lựa chọn tỷ lệ Biodiesel tối đa phối trộn với Diesel để đảm bảo chỉ tiêu về hàm lượng nước và hàm lượng cặn carbon. Trong phạm vicủa đề tài này, hàm lượng Biodiesel tối đa có thể phối trộn được với Diesel 0.05 và Diesel 0.25 mà vẫn đảm bảo được chỉ tiêu về hàm lượng nước là 11%.
-Hàm lượng lưu huỳnh của Biodiesel khá nhỏ, do đó khi phối trộn ta thu được hỗn hợp với hàm lượng giảm đáng kể. Hàm lượng lưu huỳnh càng giảm khi tỷ lệ Biodiesel phối trộn càng lớn. Đây chính là điểm ưu việt khi sử dụng nhiên liệu Biodiesel cho động cơ Diesel.
Theo lý thuyết, chỉ số xêtan của Biodiesel phải cao hơn chỉ số xêtan của Diesel, tuy nhiên, sau quá trình thực nghiệm, chúng tôi thu được chỉ số xê tan của Biodiesel lại thấp hơn đáng kể so với Diesel thương phẩm, đó là do các biện pháp xử lý, làm sạch Biodiesel sau khi tổng hợp chưa thật hiệu quả.
3.8. Kiến nghị
Việc pha trộn Biodiesel vào Diesel thương phẩm không những giải quyết được vấn đề năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt mà cịn đáp ứng được vấn đề mơi trường đang rất ô nhiễm.
Tuy nhiên, do chất lượng của Biodiesel vẫn chưa thật sự thỏa mãn các chỉ tiêu chất lượng của B100 nên khi phối trộn với Diesel thương phẩm vẫn còn gặp nhiều khó khăn. Do đó, ngay trong q trình thực hiện tổng hợp Biodiesel cần có sự đầu tư cơng nghệ và sử dụng phương phápmới có hiệu quả để có thể thu được Biodiesel có chất lượng tốt, tạo điều kiện cho việc phối trộn với tỷ lệ Biodiesel ngày càng cao. Điều này không chỉ đảm bảo đượccác chỉ tiêu về kỹ thuật mà còn giải quyết được các vấn đề về kinh tế xã hội.
Sau khi nghiên cứu tài liệu có liên quan đến việc tổng hơp Biodiesel đáp ứng các chỉ tiêu kĩ thuật của loại nguyên liệu này, từ đó nâng cao được tỉ lệ phối trộn Biodiesel vào Diesel, giải quyết vấn đề cạn kiệt năng lượng hiện nay. Chúng em xin đề xuất một phương pháp sản xuất Biodiesel cao cấp sau:
Phương pháp Eco-fining
3.8.1.Giới thiệu chung về phương pháp
Sản xuất Biodiesel bằng quá trình xử lý Hydro trải qua các công đoạn sau: Hydro Cracking, làm sạch bằng Hydro và Hydro hóa.
Ưu điểm
Hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu cực thấp. Hàm lượng nước thấp.
Tính bền oxi hóa cao.
Tính chấtở nhiệt độthấp tốt hơn.
Chỉ sốcetan rất cao, khi pha trộn biodiesel vào nhiên liệu diesel thì nó tạo hỗn hợp có chỉsố cetan cao hơn và độnhớt thấp hơn nhiên liệu diesel thơng thường.
Sản phẩm phụPropan có hiệu quảkinh tếcao. Lượng nhiệt tỏa ra lớn nên tiêu tốn năng lượng ít. Chi phí vốn và chi phí vận hành thấp.
Có thể kết hợp với nhà máy lọc dầu để tận dụng nguồn H2 có sẵn trong nhà máy.
Có thểsản xuất liên tục hoặc bán liên tục tùy theo tình hình nguồn nguyên liệu và nhu cầu thị trường.
Nhược điểm
Tính chất khá phức tạp của nguyên liệu gây khó khăn cho việc xác định lượng H2 cần đểxửlý .
Phản ứng hydrotreament là phảnứng tỏa nhiệt nên làm giảm tuổi thọcủa chất xúc tác, phảnứng sinh ra nước làm giảm hiệu quảcủa chất xúc tác.
Nguyên liệu có chỉsốacide cao nên việc đầu tư vật liệu hợp kim cho thiết bịkhá tốn kém, làm tăng giá thành sản phẩm.
Phảnứng tổng hợp ra n_parafine làm tăng nhiệt độ vẫn đục ,cần phải qua q trình izome hóa.
3.8.2.Cơng nghệ Eco-fining
3.8.2.1.Giới thiệu
Quá trình Ecofining của UOP là giải pháp chonhu cầu đòi hỏichất lượng caovà bền vững đối với nhiên liệu sinh học sử dụng cho động cơ diesel. Quá trình nàyđã được hợp tác phát triển bởi 2 công ty: UOP và Eni S.p.a. của Italy. Nó là sự kết hợp 90 năm kinh nghiệm của UOP để cấp phép kinh doanh công nghệ UOP / Eni và phát triển chất xúc tác trong lĩnh vực chế biến nguyên liệu sinh học.
Quá trình Ecofining hydrogenation nguyên liệu acid béo như dầu thực vật và chất béo động vật sinh ra các parafin sau đó qua quá trình isomerization để tạo ra một hydrocarbon chất lượng cao được gọi là Biodiesel hay còn được gọi là Green diesel. Nếu muốn, q trình Ecofining cũng có thể được thiết kế để sản xuất “green jet”
3.8.2.2.Nguyên liệu Nguyên liệu là Bio_oil .
3.8.2.3.Mô tảcông nghệ
Nguyên liệu Bio-oil được cho vào thiết bị phản ứng hình trụ, tầng xúc tác cố định. Dòng H2được cho vào cùng lúc để tiến hành phản ứng. Sau đó sản phẩm sẽ đi qua thiết bị phân tách loại bỏ nước và khí CO2.Sản phẩm chính đi qua tháp chưng cất thu được khí Propan ở đỉnh tháp, Gasoline ở thân tháp, Biodiesel ở đáy tháp. (Nếu có nhu cầu thì cho qua phân xưởng “Jet” để sản xuất nhiên liệu máy bay )
Hình 3.18. Sơ đồ cơng nghệ ECo_fining[20]
3.8.2.4.Điều kiện vận hành và sản phẩm
Thành phần nguyên liệu : 100% Bio-oils
Lượng H2 : 2,5- 3,8 %
Áp suất riêng phần của H2 tăng đối với nguyên liệu nặng và nó thay đổi tùy theo mục đích của q trình:
HDT : 140 bar
Hydro hóa sâu : 170 bar
Nhiệt độ phản ứng : ~ 400 oC Sản phẩm Propan ( vol %) : 2 - 4 % Gasoline ( vol% ) : 1 - 10% Biodiesel ( vol %) : 88 - 98% 3.8.2.5.Chất xúc tác
Quá trình sử dụng Ecofining deoxygenation và isomerization chất xúc tác đó được cung cấp bởi UOP.
Chất xúc tác được sử dụng chủ yếu là Co/Mo ,thực hiện quá trình khử trước rồi mới chuyển qua q trình no hóa.
Hình 3.19. Xúc tác Co/Mo [21]
Các kim loại Co, Mo, Ni đóng vai trị là pha hoạt động được gắn lên chất mang có bề mặt riêng lớn như zeolit.
Chu kì tái sinh là 30 tháng.
Bảng 3.8. Kết quả Hydroprocessing với xúc tác CoMo/Al2O3
Điều kiện vận hành
Nhiệt độ, oC 398
Áp suất, psig 2003
Tốc độtruyền nguyên liệu, h-1 0,1
Lượng H2/Ng liệu 616
Hiệu suất khửOxi, % 100
Bảng 3.9. Kết quảsản phẩm
Biodiesel Hàm lượng oxi trong sản phẩm 0,0
TỉsốH/C, mol/mol 1,65
Tỉtrọng, kg/l 0,84
Hiệu suất C5-225oC > 87
Sản lượng dầu diesel và lượng hydro tiêu thụ thay đổi chút ít theo nguồn nguyên liệu và các yêu cầu sản phẩm. Việc tiêu thụ hydro có thể cũng khác nhau giữa các nguồn cung cấp khác nhau.
3.8.2.6.Các phản ứng xảy ra
Hình 3.20. Các Phản ứng xảy ra[21]
3.8.2.7.Tính chấtSản phẩm
Biodiesel (hay còn gọi là Greendiesel) đáp ứng hoặc vượt quá khắt khe nhất Diesel tiêu chuẩn về hiệu suất, và phù hợp như là một pha trộn thành phần cho ASTM D975 diesel.
Bảng 3.10. Bảng so sánh tính chất của Diesel và Biodiesel
Để hạ thấp điểm vẫn đục của Biodiesel người ta cho qua quá trình isomerization. Diesel Biodiesel Hàm lượng Oxi ,% 0 0 Tỉtrọng 0,84 0,78