Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống tích hợp để hâm nhiên liệu sinh học sử dụng trực tiếp cho động cơ diesel D243

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:92

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn "Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống tích hợp để hâm nhiên liệu sinh học sử dụng trực tiếp cho động cơ diesel D243" được hoàn thành với mục tiêu nhằm thiết kế và chế tạo thành công hệ thống tận dụng nhiệt khí thải có tích hợp năng lượng điện để sấy nóng nhiên liệu và đánh giá tác động của hệ thống này đến tính năng vận hành và phát thải của động cơ thử nghiệm.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống tích hợp để hâm nhiên liệu sinh học sử dụng trực tiếp cho động cơ diesel D243

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM --------- oOo -------- VŨ QUANG THOẠI NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG TÍCH HỢP ĐỂ HÂM NHIÊN LIỆU SINH HỌC SỬ DỤNG TRỰC TIẾP CHO ĐỘNG CƠ DIESEL D243 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT TP. HCM 11- 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM --------- oOo -------- VŨ QUANG THOẠI NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG TÍCH HỢP ĐỂ HÂM NHIÊN LIỆU SINH HỌC SỬ DỤNG TRỰC TIẾP CHO ĐỘNG CƠ DIESEL D243 CHUYÊN NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ TÀU THỦY MÃ SỐ: 78.40.10.61.02 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. THẨM BỘI CHÂU TP. HCM 11- 2018
LUẬN VĂN ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Thẩm Bội Châu Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. Nguyễn Sơn Trà Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Hoàng Anh Tuấn Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Giao thông vận tải TP. HCM ngày 30 tháng 11 năm 2018. Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1. TS. Lê Văn Vang Chủ tịch Hội đồng; 2. TS. Nguyễn Sơn Trà Ủy viên, phản biện; 3. TS. Hoàng Anh Tuấn Ủy viên, phản biện; 4. TS. Nguyễn Duy Trinh Ủy viên, thư ký; 5. PGS.TSKH. Đỗ Đức Lưu Ủy viên. Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa. CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA MÁY TÀU THỦY (ký tên) (ký tên) TS. Lê Văn Vang TS. Lê Văn Vang
LỜI CẢM ƠN Tác giả xin trân trọng cảm ơn đến quý Thầy cô giáo Khoa Máy tàu thủy, Khoa Cơ khí, Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải TP. HCM, đặc biệt trân trọng cảm ơn Thầy TS. Thẩm Bội Châu đã tận tình hướng dẫn trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Xin cảm ơn tới bạn bè và gia đình đã chia sẻ, giúp đỡ động viên trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Mặc dù đã cố gắng hết sức thực hiện đề tài trong phạm vi và khả năng cho phép để đạt kết quả tốt nhất nhưng chắc chắn rằng không tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả rất mong sự thông cảm và đóng góp ý kiến quý báu của quý Thầy cô và bạn bè. Tác giả KS. Vũ Quang Thoại i
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn này là công trình khoa học do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Thẩm Bội Châu. Ngoài các nội dung tham khảo trong tài liệu đã được liệt kê trong phần tài liệu tham khảo, Luận văn này không hề sao chép nội dung của bất kỳ công trình khoa học nào tương tự. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật về những lời cam đoan của mình. Tác giả KS. Vũ Quang Thoại ii
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN………………………………………………………………….....i LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... .ii Mục lục………………………………………………………………………………...iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT………………………………..viii MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Đặt vấn đề ....................................................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................................2 3. Đối tượng nghiên cứu ..................................................................................................2 4. Phạm vi nghiên cứu .....................................................................................................2 CHƯƠNG 1 .....................................................................................................................3 TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SINH HỌC CÁC PHƯƠNG PHÁP HÂM SẤY NHIÊN LIỆU ...................................................................................................................3 1. Tổng quan về nhiên liệu sinh học bio-oils/biodiesel ...................................................3 của diesel sinh học gốc, dầu sinh học gốc và diesel D2 ở nhiệt độ 400C ........................5 2. Tổng quan về các phương pháp hâm nhiên liệu ..........................................................8 2.1. Phương pháp hâm nhiên liệu bằng hơi nước ......................................... …………8 2.2. Phương pháp hâm nhiên liệu bằng chất lỏng nhiệt. ............................................... 10 2.2.1 Chất tổng hợp ...............................................................................................11 2.2.2. Dầu nhiệt......................................................................................................11 2.2.3 Các loại chứa silicon khác ............................................................................12 2.3. Phương pháp hâm nhiên liệu bằng điện. ................................................................ 13 2.3.1.Hâm trực tiếp ................................................................................................13 2.3.2.Hâm gián tiếp ...............................................................................................16 2.4. Các phương pháp hâm khác. .................................................................................. 17 3. Kết luận chương 1 .....................................................................................................18 CHƯƠNG 2:LÝ THUYẾT THIẾT KẾ HỆ THỐNG HÂM NHIÊN LIỆU DẦU SINH HỌC GỐC .....................................................................................................................19 iii
1. Phương pháp hâm nhiên liệu kiểu tích hợp điện-khí xả ............................................19 2. Lý thuyết thiết kế hệ thống hâm nhiên liệu dầu sinh học gốc kiểu tích hợp điện-khí xả....................................................................................................................................20 2.1. Tính toán, thiết kế thiết bị tận dụng nhiệt khí xả .................................................... 20 2.1.1. Tổng quan về thiết bị tận dụng nhiệt khí xả ................................................20 2.1.2. Lý thuyết tính toán thiết bị tận dụng nhiệt khí xả kiểu ống [1-14]. ............21 2.2. Tính toán, thiết kế bộ hâm bằng điện ..................................................................... 28 CHƯƠNG 3 ...................................................................................................................33 THIẾT KẾ HỆ THỐNG HÂM NHIÊN LIỆU DẦU DỪA DÙNG TRỰC TIẾP TRÊN ĐỘNG CƠ .....................................................................................................................33 1. Các thông số của dầu dừa ..........................................................................................33 1.1. Tính chất lý hóa của dầu dừa .................................................................................. 33 1.2. Đặc tính phun của dầu dừa theo nhiệt độ ............................................................... 36 1.2.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm ................................................................................36 1.2.2. Đặc tính phun của dầu dừa ..........................................................................37 2. Tính toán, thiết kế hệ thống hâm nhiên liệu dầu dừa kiểu tích hợp điện-khí xả cho động cơ D243 ................................................................................................................38 2.1. Xác định các thông số của khí xả của động cơ D243 ............................................. 38 2.2. Tính diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị ..................................................... 41 2.3. Tính toán két nhiên liệu và tính chọn bơm ............................................................. 48 2.4. Tính toán điện trở sấy ............................................................................................. 50 2.5. Tính tổn hao áp suất của dòng khí xả qua thiết bị tận dụng nhiệt .......................... 53 3. Tính bền bộ tận dụng nhiệt khí thải ...........................................................................55 3.1. Phương pháp tính độ bền ........................................................................................ 55 3.2. Kết quả tính toán độ bền ......................................................................................... 55 4. Chế tạo hệ thống ........................................................................................................58 5. Lắp đặt và thử nghiệm trên động cơ D243 ................................................................62 5.1. Lắp đặt hệ thống trên động cơ D243 ...................................................................... 62 5.2. Kết quả thử nghiệm trên động cơ D243 ................................................................. 67 5.2.1. Kết quả thử nghiệm với dầu DO .................................................................67 iv
5.2.2.Kết quả thử nghiệm với dầu dừa, nhiệt độ hâm là 800C, 1000C, 1200C .....................................................................................................................68 6. Kiểm nghiệm và tính các chỉ tiêu của hệ thống ........................................................70 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN .....................................76 1. Kết luận..............................................................................................................76 2. Hướng phát triển của luận văn ..........................................................................77 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................78 v
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Cấu trúc phân tử của dầu sinh học gốc..................................................... 3 Hình 1.2. Cấu trúc phân tử của diesel sinh học gốc ................................................. 6 Hình1. 3. Sơ đồ hâm nhiên liệu bằng hơi nước ........................................................ 9 Hình1. 4. Phạm vi nhiệt độ hoạt động của một số chất lỏng nhiệt........................... 10 Hình 1.5. Lò dầu nhiệt .............................................................................................. 12 Hình 1.6. Mạng dầu nhiệt ......................................................................................... 13 Hình 1.7. Thiết bị hâm sấy nhiên liệu kiểu trực tiếp ................................................ 15 Hình 1.8. Các loại điện trở ....................................................................................... 16 Hình 1.9. Phương pháp hâm nhiên liệu bằng ống nhiệt ........................................... 17 Hình 2.1. Tỉ lệ năng lượng nhiệt của đông cơ diesel ............................................... 21 Hình 2.2. Sơ đồ mạch điều khiển công suất điện trở sấy ......................................... 31 Hình 3.1. Mối liên hệ giữa khối lượng riêng, độ nhớt và sức căng bề mặt theo nhiệt độ..............................................................................................................................35 Hình 3.2. Bố trí hệ thống thí nghiệm........................................................................ 36 Hình 3.3. Đặc tính phun của nhiên liệu diesel và dầu dừa nguyên chất ở nhiệt độ 30oC .......................................................................................................................... 37 Hình 3.4. Đặc tính phun của dầu dừa nguyên chất ở nhiệt độ khác nhau ................ 38 Hình 3.5. Sơ đồ bố trí hệ thống hâm nhiên liệu dầu dừa kiểu tích hợp điện – khí . 41 Hình 3.6. Kết cấu thiết bị tận dụng nhiệt khí xả xả .................................................. 47 Hình 3.7. Hệ thống hâm nhiên liệu kiểu tích hợp lên băng thử sau khi chế tạo........62 Hình 3.8. Lắp đặt bộ sấy kiểu tích hợp lên băng thử ............................................... 66 vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. Thành phần hóa học của dầu sinh học gốc, diesel sinh học gốc và nhiên liệu diesel D2 ........................................................................................................................ 4 Bảng 2. Độ nhớt, khối lượng riêng, sức căng bề mặt, điểm chớp cháycủa diesel sinh học gốc, dầu sinh học gốc và diesel D2 ở nhiệt độ 400C............................................... 5 Bảng 3. Nhiệt trị, số cetane, điểm vẩn đục và điểm đông đặc của dầu sinh học gốc, diesel sinh học gốc và nhiên liệu diesel D2 ................................................................... 5 Bảng 4. Tiêu chuẩn đối với diesel sinh học gốc B100 ................................................... 8 Bảng 5. Tính chất lý hóa của dầu dừa ......................................................................... .33 Bảng 6. Tính chất vật lý của nhiên liệu diesel ở nhiệt độ 30oC so với dầu dừa nguyên chất ................................................................................................................................36 Bảng 7. Kết quả tính diện tích bề mặt truyền nhiệt của thiết bị tận dụng nhiệt khí xả 41 Bảng 8. Kết quả tính toán két nhiên liệu ...................................................................... 48 Bảng 9. Kết quả tính chọn bơm .................................................................................... 49 Bảng 10. Kết quả tính toán điện trở sấy ....................................................................... 50 Bảng 11. Kết quả tính sức cản tác dụng lên dòng khí lưu động qua thiết bị tận dụng............................................................................................................................53 Bảng 12. Kết quả tính bền bộ tận dụng nhiệt khí thải .................................................. 56 Bảng 13. Bộ hâm bằng điện ........................................................................................ 58 Bảng 14. Bầu hâm điện và két..................................................................................... 59 Bảng 15. Ống nối và van .............................................................................................. 60 Bảng 16. Bầu tận dụng nhiệt khí xả ............................................................................. 61 Bảng 17. Tại chế độ 100% tải, vòng quay thay đổi ..................................................... 67 Bảng 18. Tại chế độ tải thay đổi, vòng quay 1500 v/p và 2000 v/p ............................. 67 Bảng 19. Tại chế độ 100% tải, vòng quay thay đổi ..................................................... 68 Bảng 20. Tại chế độ tải thay đổi, vòng quay 1500 v/p và 2000 v/p ............................. 69 Bảng 21. Suất tiêu hao nhiên liệu của dầu dừa ở nhiệt độ hâm 800C, 1000C, 1200C và dầu DO ......................................................................................................................... 69 Bảng 22. Kết quả tính kiểm nghiệm và các chỉ tiêu của hệ thống ............................... 71 vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải Ghi chú IMO Tổ chức hàng hải Quốc tế ISO Tổ chức tiêu chuẩn Quốc tế DO Nhiên liệu nhẹ FO Nhiên liệu nặng HFO Heavy fuel oil MGO Marine gas oil CNG Khí thiên nhiên nén LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng LNG Khí thiên nhiên hóa lỏng ASTM Tiêu chuẩn Hoa kỳ về vật liệu và thử nghiệm QCVN Quy chuẩn Việt Nam TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam EEDI Chỉ số thiết kế năng lượng hiệu quả EEOI Chỉ số khai thác năng lượng hiệu quả SEEMP Hệ thống quản lý năng lượng hiệu quả trên tàu CN Chỉ số cetan CP Điểm vẩn đục PP Điểm đông đặc JO Dầu Jatropha JOME Jatropho Methyl Este GQTK Góc quay trục khuỷu HC Hydrocacbon BN Bosch number viii
MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Hiện nay, ô nhiễm môi trường và sự cạn kiệt các nguồn năng lượng là vấn đề đang được mọi quốc gia trên thế giới quan tâm. Không khí bị ô nhiễm chủ yếu là do khói thải từ các phương tiện giao thông. Xã hội càng phát triển thì con người càng phát minh ra những phương tiện tiên tiến nhất nhằm đáp ứng cuộc sống của xã hội hiện đại. Vấn đề là làm thế nào để lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường ở mức thấp nhất và năng lượng sử dụng cho các phương tiện có khả năng tái tạo thay thế cho nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt. Khí thải chủ yếu của nhiên liệu hóa thạch là SO2, SO3, NOX, CO, CO2 , hydrocacbon, vật chất dạng hạt. . . Khí SOX không những gây ăn mòn thiết bị mà còn ảnh hưởng xấu đến sức khoẻ của con người, gây mưa axit... Khí CO2 là nguyên nhân gây ra hiệu ứng nhà kính. Khí CO được tạo ra do quá trình cháy không hoàn toàn của nhiên liệu, rất nguy hiểm đối với con người. Các thành phần hydrocacbon trong khí thải của nhiên liệu diesel, đặc biệt là các hợp chất thơm rất có hại cho con người và là nguyên nhân gây ra bệnh ung thư. Các vật chất dạng hạt có lẫn trong khí thải cũng gây ô nhiễm không khí mạnh, chúng rất khó nhận biết, là nguyên nhân gây ra các bệnh về hô hấp, tim mạch. Các nước trên thế giới hiện nay đều quan tâm đến vấn đề hiệu quả kinh tế và bảo vệ môi trường, vì vậy xu hướng phát triển chung của nhiên liệu diesel là tối ưu hoá từ số cetan, tìm mọi cách để giảm hàm lượng lưu huỳnh xuống, mở rộng nguồn nhiên liệu, tạo nhiên liệu sạch ít gây ô nhiễm. Trước tình hình đó, giảm phát thải ô nhiễm môi trường đảm bảo an ninh năng lượng cho mỗi quốc gia, việc đa dạng hóa nguồn năng lượng và giảm sự phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch là một trong những mục tiêu hàng đầu của các nước phát triển. Nhiên liệu diesel sinh học dùng cho động cơ đốt trong được xem là một trong những giải pháp quan trọng và nhận được sự quan tâm lớn của thế giới. Nhiên liệu sinh học được định nghĩa là bất kỳ loại nhiên liệu nào nhận được từ sinh khối. Chúng bao gồm bioetanol, biodiesel, biogas, etanol pha trộn (ethanol-biended fuels), dimetyl ete sinh học và dầu thực vật. Nhiên liệu sinh học hiện nay được sử dụng trong giao thông vận tải là etanol sinh học, diesel sinh học và xăng 1
pha etanol. Nhiên liệu diesel sinh học dùng cho động cơ đốt trong được xem là một trong những giải pháp quan trọng và nhận được sự quan tâm lớn của thế giới. Một trong những giải pháp sử dụng nhiên liệu sinh học là dầu sinh học, dầu sinh học bao gồm dầu thực vật hay mỡ động vật có thể sử dụng trực tiếp trên động cơ đốt trong cháy do nén. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Thiết kế và chế tạo thành công hệ thống tận dụng nhiệt khí thải có tích hợp năng lượng điện để sấy nóng nhiên liệu và đánh giá tác động của hệ thống này đến tính năng vận hành và phát thải của động cơ thử nghiệm. - Lắp đặt và vận hành thử nghiệm hệ thống đối với động cơ diesel tại phòng thí nghiệm. 3. Đối tượng nghiên cứu - Dầu sinh học gốc - Động cơ diesel; - Hệ thống cung cấp nhiên liệu, hệ thống thải và hệ thống điều khiển và kiểm tra của động cơ; - Các thiết bị thử nghiệm động cơ và thử nghiệm khí thải. 4. Phạm vi nghiên cứu Nhiên liệu dầu sinh học gốc (bio-oil) và hệ thống nhiên liệu sử dụng dầu sinh học gốc sử dụng trên động cơ diesel. 2
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SINH HỌC CÁC PHƯƠNG PHÁP HÂM SẤY NHIÊN LIỆU 1. Tổng quan về nhiên liệu sinh học bio-oils/biodiesel Dầu sinh học gốc là nhiên liệu bao gồm dầu thực vật hoặc mỡ động vật thu được từ quá trình tinh chế dầu mỡ, có thành phần chính là axit béo mạch dài (Hình 1.1), chưa pha trộn với các loại nhiên liệu khác để sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel, ký hiệu là VO100 (chữ V chỉ tên loại dầu thực vật) hay AF100 (chữ A chỉ tên loại mỡ động vật). Hình 1.1. Cấu trúc phân tử của dầu sinh học gốc Dầu sinh học gốc là các phân tử chất béo trung tính, không tan trong nước, chứa ba chuỗi hydrocarbon liên kết với một gốc glixerol nên có khối lượng riêng lớn và độ nhớt cao. Dầu sinh học gốc có thể là các loại dầu có nguồn gốc thực vật gồm loại ăn được (dầu mè, dầu đậu lành, dầu dừa…) hoặc không ăn được ( dầu hạt bông, dầu jatropha, dầu hạt cao su…) và mỡ động vật. Thành phần hóa học chính của dầu sinh học gốc là este của glixerol với các axit béo bão hòa (palmitic (16: 0) và stearic (18: 0) là hai loại axit béo bão hòa thường gặp nhất) hay không bão hòa (oleic (18: 1) và linoleic (18: 2) là các axit béo không bão hòa phổ biến nhất). So với diesel sinh học gốc và nhiên liệu diesel hóa thạch, dầu sinh học gốc có khối lượng phân tử lớn hơn nhiều, công thức phân tử của dầu sinh học gốc có dạng C27-57 H54-104 O6. Tương tự như diesel sinh học gốc và khác với nhiên liệu diesel, dầu sinh học gốc có chứa thành phần oxi trong phân tử, chứa rất ít lưu huỳnh và hợp chất thơm (Bảng 2) nên diesel sinh học gốc và dầu sinh học gốc ít gây hại đối với môi trường. 3
Bảng 1. Thành phần hóa học của dầu sinh học gốc, diesel sinh học gốc và nhiên liệu diesel D2 Dầu sinh Diesel sinh Nhiên liệu TT Thành phần hóa học học gốc học gốc diesel D2 1 Hàm lượng cacbon, %kl 73-77,6 75-77 83,5-87 2 Hàm lượng hidro, %kl 11,6-12,3 11,6-12,5 11,5-14 3 Hàm lượng oxi, %kl 10,8-12,5 10,75-11,82 0 4 Hàm lượng lưu huỳnh, %kl 0,006-0,02 0,006-0,02 0,02-0,05 5 Hàm lượng nitơ, %kl 0,002-0,007 0,002-0,007 0,0001-0,0003 Hàm lượng hợp chất thơm, 6 0 0 28-38 %tt 7 Chỉ số Iốt 70-157 65-156 0 8 Hàm lượng tro, % 0,002-0,03 0,002-0,036 0,006-0,01 Tính chất vật lý của dầu sinh học gốc có ảnh hưởng nhiều đến chất lượng quá trình cháy, các tính chất này được đặc trưng bởi các thông số: - Khối lượng riêng, độ nhớt và sức căng bề mặt là một thuộc tính quan trọng của dầu sinh học gốc (Bảng 3). Bộ ba thông số này ảnh hưởng đến độ lớn lực liên kết phân tử Van der Waals. Việc tăng chiều dài chuỗi cacbon làm tăng khối lượng phân tử, do đó tăng độ lớn lực Van der Waals nên cũng làm tăng độ nhớt và ngược lại. Các tính chất này quyết định lớn đến chất lượng phun sương của nhiên liệu, chúng đều có mối quan hệ tỉ lệ nghịch với nhiệt độ. Việc sử dụng trực tiếp dầu sinh học gốc làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel nhất thiết phải tính đến việc cải thiện các thông số trên nhằm đảm bảo nó nằm trong phạm vi cho phép và gần với giá trị của nhiên liệu diesel truyền thống. Điểm chớp cháy, điểm vẩn đục và điểm đông đặc (Bảng 2 và 3) của dầu sinh học gốc khá cao, cao hơn diesel sinh học gốc và nhiên liệu diesel truyền thống. Vì lý do 4
này, dầu sinh học gốc gần như không có khả năng làm việc ở nhiệt độ thấp do mất tính lưu động của loại nhiên liệu lỏng. Bảng 2. Độ nhớt, khối lượng riêng, sức căng bề mặt, điểm chớp cháy của diesel sinh học gốc, dầu sinh học gốc và diesel D2 ở nhiệt độ 400C Độ nhớt Khối lượng Sức căng Điểm chớp STT Nhiên liệu động học ở riêng, bề mặt, cháy, 400C, cSt kg/m3 mN/m 0 C 1 Diesel sinh học gốc 3,5-5 870-885 27,8-29 110-180 2 Dầu sinh học gốc 24-48 903-924 31-35 195-270 3 Nhiên liệu diesel D2 2,7-3 822-837 24 73 Nhiệt trị của dầu sinh học gốc phụ thuộc vào chỉ số xà phòng hóa (SV) và chỉ số Iốt (IV), SV và IV tăng tức là tăng số liên kết đôi (-C = C-) do đó sẽ làm giảm nhiệt trị của dầu (Bảng 3). Số cetan là thước đo cho quá trình cháy nhanh hay chậm của một loại nhiên liệu lỏng sau khi được phun vào xilanh của động cơ tự cháy. Số cetan của dầu sinh học gốc thường nhỏ hơn diesel sinh học gốc và nhiên liệu diesel truyền thống (Bảng 1). Các nghiên cứu chỉ ra rằng, số cetan của loại dầu sinh học gốc có chứa chuỗi hydrocacbon bão hòa mạch thẳng thường cao hơn loại có chứa mạch nhánh hay vòng benzen [14]. Bảng 3. Nhiệt trị, số cetane, điểm vẩn đục và điểm đông đặc của dầu sinh học gốc, diesel sinh học gốc và nhiên liệu diesel D2 Nhiệt trị, Số cetan Điểm vẩn Điểm đông STT Nhiên liệu MJ/kg đục, 0C đặc, 0C 1 Diesel sinh học gốc 38-40 50-70 1-12 -15÷ -7 2 Dầu sinh học gốc 37-39,5 38-42 3-15 -6÷ -2 3 Nhiên liệu diesel D2 43 48 -14 -30 Những ưu điểm của dầu sinh học gốc làm nhiên liệu thay thế là tính lỏng, sẵn có, khả năng tái sinh, chứa rất ít lưu huỳnh và hợp chất thơm, có khả năng phân huỷ sinh 5
học [15]. Hiện nay chưa có tiêu chuẩn cho dầu sinh học gốc làm nhiên liệu cho động cơ, song để có thể sử dụng chúng cần dựa vào một số tiêu chuẩn đối với nhiên liệu diesel. Tuy nhiên, nhược điểm chính của dầu sinh học gốc là độ nhớt cao hơn từ 10 đến 17 lần so với nhiên liệu diesel [16], có khối lượng riêng và sức căng bề mặt lớn nên khả năng bay hơi kém, phản ứng của các chuỗi hydrocarbon không bão hòa nên làm dầu dễ bị biến chất. Một số kết quả thử nghiệm sử dụng dầu sinh học gốc trên động cơ diesel [18] thấy xuất hiện cốc trên kim phun, dính xéc măng, làm biến chất dầu bôi trơn. Hình 2 cho thấy, một số ưu nhược điểm của nhiên liệu diesel sinh học gốc so với nhiên liệu diesel truyền thống. Diesel sinh học gốc được hiểu theo QCVN 1:2009/BKHCN là nhiên liệu thu được thông qua quá trình este hóa với ankanol từ các nguyên liệu sinh học (dầu thực vật, mỡ động vật hoặc các sản phẩm khác), có thành phần chính là các mono-alkyl este (thường là metyl este hoặc etyl este) của các axit béo mạch dài (hình 1.2), chưa pha trộn với các loại nhiên liệu khác để sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel, ký hiệu là B100. Hình 1.2. Cấu trúc phân tử của diesel sinh học gốc Sự khác biệt về cấu trúc và thành phần phân tử ảnh hưởng đến tính chất của diesel sinh học gốc. Tính chất của diesel sinh học gốc được đặc trưng bởi độ nhớt, khối lượng riêng, sức căng bề mặt, số cetan, nhiệt độ đông đặc, điểm chớp cháy, nhiệt trị và thành phần các nguyên tố, hàm lượng tro, hàm lượng lưu huỳnh, cặn cacbon, độ axit… Phân tích hóa học cho thấy, công thức phân tử của diesel sinh học gốc có dạng C15-25 H28-48 O2 , do đó trong thành phần diesel sinh học gốc có chứa oxi, điều này làm cho diesel sinh học gốc cháy sạch hơn nhiên liệu diesel. Tuy nhiên, diesel sinh học gốc chứa hàm lượng nitơ lớn và axit lớn hơn nhiên liệu diesel nên làm tăng phát thải NOx và gây ăn mòn. Tính chất và thành phần của diesel sinh học gốc được cho trong (Bảng 2). Độ nhớt, khối lượng riêng và sức căng bề mặt là thuộc tính quan trọng nhất của diesel sinh học gốc vì nó ảnh hưởng đến hoạt động của thiết bị phun nhiên liệu, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp khi đó độ nhớt, khối lượng riêng và sức căng bề mặt cao làm ảnh 6
hưởng đến tính lưu động của nhiên liệu. Độ nhớt, khối lượng riêng và sức căng bề mặt cao dẫn đến sự phun sương của nhiên liệu giảm và gây ra hoạt động kém chính xác của kim phun nhiên liệu. Việc hạ thấp độ nhớt, khối lượng riêng và sức căng bề mặt của diesel sinh học gốc sẽ dễ dàng tạo điều kiện thuận lợi cho sự phun sương [22]. So với dầu sinh học gốc, diesel sinh học gốc có khối lượng phân tử chỉ bằng một phần ba, khối lượng riêng giảm khoảng 4%, độ nhớt giảm khoảng tám lần và sức căng bề mặt giảm khoảng 15%. Diesel sinh học gốc có nguồn gốc từ mỡ động vật có độ nhớt, khối lượng riêng và sức căng bề mặt cao hơn so với nguồn gốc từ dầu thực vật (Bảng 3). Số cetan (CN) của diesel sinh học gốc là thước đo đánh giá chất lượng cháy của nhiên liệu, CN của diesel sinh học gốc nói chung là cao hơn so với nhiên liệu diesel hóa thạch, CN của diesel sinh học gốc có nguồn gốc từ mỡ động vật cao hơn so với các loại có nguồn gốc từ dầu thực vật [23]. Bên cạnh đó, hai thông số quan trọng cho việc sử dụng diesel sinh học gốc ở nhiệt độ thấp là điểm vẩn đục (CP) và điểm đông đặc (PP), diesel sinh học gốc có CP và PP cao hơn so với nhiên liệu diesel hóa thạch [24]. Hàm lượng oxy có trong diesel sinh học gốc làm cải thiện quá trình đốt cháy do đó hiệu suất cháy của diesel sinh học gốc là cao hơn so với nhiên liệu diesel. Nhiệt trị của diesel sinh học gốc là tương đối cao khoảng 37 - 41 MJ/kg.Như vậy, những lợi thế của việc sử dụng diesel sinh học làm nhiên liệu diesel là tính sẵn có, khả năng tái sinh, hiệu suất cháy cao, hàm lượng lưu huỳnh và hợp chất thơm thấp [25], số cetan cao và có khả năng phân hủy sinh học, điểm chớp cháy cao và có tính bôi trơn tốt [26.28]. Tuy nhiên, diesel sinh học gốc cũng tồn tại một số nhược điểm so với nhiên liệu diesel như dễ bị vi khuẩn phân huỷ do có nguồn gốc từ dầu thực vật và mỡ động vật, giá thành cao, làm hỏng các bộ phận bằng cao su của hệ thống nhiên liệu (một số nghiên cứu đã tìm ra loại cao su tổng hợp FKM- GBL-S và FKM- GF-S để thay thế cho các chi tiết làm bằng cao su thông thường) và có khả năng xảy ra phản ứng với một số loại vật liệu kim loại do trong thành phần có chứa một lượng nhỏ axit tự do [27,29-31]. Hiện nay, QCVN 1:2009/BKHCN hoặc ASTM D6751 đã đưa ra các tiêu chuẩn đối với diesel sinh học gốc dùng trực tiếp cho động cơ diesel (Bảng 4). 7
Bảng 4. Tiêu chuẩn đối với diesel sinh học gốc B100 Phương QCVN ASTM STT Thành phần pháp thử 01:2009 D6751 1 Điểm chớp cháy, 0C, nhỏ nhất D93 - 130 2 Hàm lượng nước và lắng cặn, % thể D2709 0,05 0,05 tích lớn nhất 3 Độ nhớt động học ở 400C, mm2/s D445 1,9-6,0 1,9-6,0 4 Hàm lượng lưu huỳnh, % khối D5453 0,05 0,05 lượng, lớn nhất 5 Hàm lượng tro, % khối lượng, lớn D482 0,02 0,01 nhất 6 Số cetan, nhỏ nhất D613 47 47 2. Tổng quan về các phương pháp hâm nhiên liệu 2.1. Phương pháp hâm nhiên liệu bằng hơi nước Sử dụng nước và hơi nước được coi là hiệu quả nhất và sử dụng rộng rãi nhất trong số các loại chất lỏng nhiệt có sẵn với hiệu suất truyền nhiệt cao và dễ dàng để kiểm soát. Tuy nhiên, hạn chế chính của nó là ở nhiệt độ trên 100ºC nó bắt đầu sôi, trở thành hơi nước và do đó chỉ có thể được sử dụng như một hệ thống điều áp - hạn chế khi xử lý và sử dụng để đảm bảo hoạt động an toàn. Để hâm nhiên liệu bằng hơi nước thì điều cần thiết phải bố trí thiết bị sinh hơi đảm bảo yêu cầu, cụ thể là nồi hơi. Hơi nước do nồi hơi cung cấp cho các nhu cầu hâm sấy nhiên liệu chiếm khoảng 60% - 80% tổng sản lượng hơi. Sau quá trình làm việc hơi sẽ ngưng tụ thành nước ngưng, cung cấp trở lại cho nồi hơi. Hơi sau khi ra khỏi nồi hơi cần phải đảm bảo các yêu cầu: - Có nhiệt độ và áp suất phù hợp với mục đích sử dụng; - Hàm lượng các chất có hại trong hơi phải nằm trong phạm vi cho phép; Sơ đồ bố trí ống hâm thông dụng nhất vẫn là hệ thống ống ruột gà Ở hệ thống hâm bằng ruột gà, hơi được đưa đến các ống ruột gà là hơi quá nhiệt 8