Nghiên cứu sử dụng dầu thực vật Việt Nam làm nhiên liệu cho động cơ diesel cỡ nhỏ

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 01/2008<br /> <br /> Trường Đại học Nha Trang<br /> <br /> VẤN ĐỀ TRAO ĐỔI<br /> <br /> NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG DẦU THỰC VẬT VIỆT NAM LÀM NHIÊN LIỆU<br /> CHO ĐỘNG CƠ DIESEL CỠ NHỎ<br /> ThS. Phùng Minh Lộc, KS. Hồ Đức Tuấn<br /> Khoa Kỹ thuật Tàu thuỷ - Trường Đại học Nha Trang<br /> <br /> Bài báo trình bày việc chọn và xử lý loại dầu thực vật Việt Nam thích hợp làm nhiên liệu thay thế<br /> cho động cơ diesel cỡ nhỏ. Dẫn liệu khoa học về kết quả chạy thử nghiệm thành công nhiên liệu từ<br /> hỗn hợp dầu thực vật + chất pha và gia nhiệt; Xây dựng các đặc tính không tải trên động cơ D12 dùng<br /> nhiên liệu thay thế và đối chứng với nhiên liệu diesel truyền thống. Lập qui trình sử dụng nhiên liệu<br /> thay thế cho động cơ diesel cỡ nhỏ bằng dầu thực vật.<br /> I. MỞ ĐẦU<br /> <br /> chuyển đổi, bao gồm ô tô, xe tải công suất lớn,<br /> <br /> 1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới<br /> 1.1. Nghiên cứu sử dụng dầu thực vật<br /> <br /> xe buýt, thuyền và các máy phát [6].<br /> 1.2. Nghiên cứu sử dụng dầu diesel sinh<br /> <br /> tinh khiết<br /> <br /> học (Biodiesel)<br /> <br /> Dầu thực vật tinh khiết (PVO) là dầu được<br /> <br /> Nhiên liệu có tiềm năng lớn nhất sẽ được<br /> <br /> lấy ra từ quá trình chiết xuất dầu thực vật từ<br /> các hạt có dầu. Quá trình này giống như quá<br /> <br /> sử dụng làm nhiên liệu tái tạo trong các động<br /> cơ diesel là dầu diesel sinh học. Công nghệ<br /> <br /> trình sản xuất dầu thực vật trong ngành công<br /> <br /> sản suất bắt đầu từ các cây có dầu, hiện nay<br /> <br /> nghiệp thực phẩm đã có công nghệ tốt. Dầu<br /> thực vật tinh khiết có thể được sử dụng trực<br /> <br /> đang được sử dụng rộng rãi ở châu Âu. Điều<br /> này thực hiện được chủ yếu do các đặc tính<br /> <br /> tiếp trong các động cơ đã được cải tiến mà<br /> không cần sử dụng phụ gia hoặc thay đổi cấu<br /> <br /> thuận lợi của dầu diesel sinh học về khả năng<br /> pha trộn với nhiên liệu diesel truyền thống và<br /> <br /> trúc. Các cây có dầu để sản xuất dầu thực vật<br /> tinh khiết sử dụng trong các động cơ diesel là<br /> <br /> chỉ cần điều chỉnh nhỏ hệ thống nhiên liệu<br /> động cơ .<br /> <br /> hạt cải dầu, hoa hướng dương, đậu tương, cọ,<br /> <br /> a. S
n xut nhiên liu sinh hc t du thc<br /> <br /> dừa, lạc, jatropha ….<br /> Từ những năm 1970 nhiều công trình<br /> <br /> vt tinh khi t<br /> Quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học bắt<br /> <br /> nghiên cứu đã được thực hiện về cải tiến động<br /> cơ diesel để làm cho chúng hoạt động phù<br /> <br /> đầu từ dầu thực vật tinh khiết (Hình 1).<br /> Các cấu trúc mol phân nhánh lớn của dầu<br /> <br /> hợp với dầu thực vật không chế biến hay dầu<br /> thực vật tinh khiết. Việc giới thiệu động cơ<br /> <br /> thực vật được chuyển sang các cấu trúc mol<br /> hình chuỗi thẳng nhỏ hơn gọi là các este<br /> <br /> "Elsbett" - là động cơ ô tô diesel đầu tiên trên<br /> <br /> methyl- hoặc ethyl giống như các thành phần<br /> <br /> thế giới phun trực tiếp, công ty Elsbett của<br /> Đức đã đi tiên phong về công nghệ PVO trong<br /> <br /> của dầu diesel sản xuất từ dầu mỏ. Quá trình<br /> biến đổi este hoá này cần có cồn (thường là<br /> <br /> những năm 1970. Cho đến nay, động cơ trên<br /> một nghìn phương tiện đã được Công ty<br /> <br /> mêtanol hoặc êtanol) để loại bỏ glycerol ra<br /> khỏi dầu thực vật.<br /> .<br /> <br /> 51<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 01/2008<br /> <br /> Trường Đại học Nha Trang<br /> <br /> Hình 1. Sơ đồ phản ứng biến đổi este hoá của triglycerides với mêtanol<br /> <br /> béo đã qua s dng<br /> Con đường biến đổi đối với dầu diesel<br /> <br /> Âu đã đặt giới hạn pha trộn phải được chú ý<br /> nếu muốn có bảo hành về xe và động cơ. Kết<br /> quả là, tỷ lệ pha trộn đến 5% đã được phép<br /> <br /> sinh học sản xuất từ các chất béo đã qua sử<br /> dụng tương tự như sản xuất dầu diesel sinh<br /> <br /> theo một đạo luật về chất lượng nhiên liệu ở<br /> châu Âu (2003/17/EC) và được chấp nhận cho<br /> <br /> học từ dầu thực vật tinh khiết. Tuy nhiên,<br /> trước khi biến đổi este hoá xảy ra, các chất<br /> <br /> tất cả các loại ô tô, động cơ và các nhà chế<br /> tạo hệ thống bơm phun nhiên liệu.<br /> <br /> béo đã qua sử dụng phải được lọc .<br /> <br /> 1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước<br /> <br /> Mẻ nhiên liệu RME- dầu hạt cải methyl<br /> ester, được sản xuất đầu tiên vào năm 1988.<br /> <br /> Đi sau các nước trong việc phát triển<br /> nhiên liêu sạch nhưng Việt Nam cũng đã đạt<br /> <br /> Đến 1991 tiêu chuẩn đầu tiên về nhiên liệu<br /> diesel sinh học được ban hành ở Áo đối với<br /> <br /> được những thành tựu bước đầu trong việc<br /> nghiên cứu chế biến dầu thực vật, mỡ động<br /> <br /> RME. Năm 1997, tiếp theo tiêu chuẩn này, tiêu<br /> chuẩn cho FAME (Axít béo Methyl Ester) đã ra<br /> <br /> vật thành diesel sinh học. Chúng ta đã nghiên<br /> cứu chiết xuất thành công dầu diesel từ dầu<br /> <br /> đời. Các tiêu chuẩn quốc gia đã được lập ở<br /> <br /> mè, dầu hạt cao su, dầu ăn phế thải, từ mỡ cá<br /> <br /> Đức, SNG, Pháp, Ý, Thụy Điển và Hoa Kỳ.<br /> Vào năm 2003, tiêu chuẩn CEN đã được chấp<br /> <br /> basa, cá tra, nó đã mở ra một hướng mới cho<br /> việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế.<br /> <br /> nhận đối với dầu diesel sinh học hoặc FAME<br /> và tiêu chuẩn này đến nay đã có hiệu lực trong<br /> <br /> Đó là công trình nghiên cứu của Phân viện<br /> khoa học vật liệu Thành phố Hồ Chí Minh,<br /> <br /> nhiều nước thành viên của cộng đồng châu<br /> Âu.<br /> <br /> Trung tâm Hoá dầu Đại học Bách khoa<br /> (TP.HCM)...Tuy nhiên, đa số sản phẩm đều<br /> <br /> Ưu điểm chính của dầu diesel sinh học là<br /> <br /> trong quá trình thử nghiệm, các thông số nhiệt<br /> <br /> nó có thể sử dụng trong các động cơ diesel<br /> bình thường mà không cần cải tạo lớn. Diesel<br /> <br /> động chưa được công bố, sản lượng không<br /> đáng kể.<br /> <br /> sinh học hoà trộn tốt với nhiên liệu diesel và<br /> sự trộn này giữ được lâu. Các hỗn hợp có<br /> <br /> Tới thời điểm này chưa có công trình nào<br /> nghiên cứu toàn diện về sử dụng dầu thực vật<br /> <br /> hàm lượng diesel sinh học dưới 20% có thể<br /> dùng thay thế trực tiếp nhiên liệu diesel trong<br /> <br /> Việt Nam làm nhiên liệu cho động cơ diesel. Vì<br /> <br /> hầu hết các động cơ mà không cần điều chỉnh<br /> <br /> một phần nhỏ vào hướng nghiên cứu mang<br /> <br /> động cơ hoặc hệ thống nhiên liệu [6]. Tuy<br /> nhiên, vì một số vấn đề về sự không tương<br /> <br /> tính thời sự: Sử dụng nhiên liệu “sạch” cho<br /> động cơ đốt trong.<br /> <br /> b. S
n xut du diesel sinh hc t các cht<br /> <br /> thích của vật liệu, nhiều nhà chế tạo của châu<br /> 52<br /> <br /> vậy, đề tài của chúng tôi mong muốn đóng góp<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 01/2008<br /> <br /> Trường Đại học Nha Trang<br /> <br /> II. ĐỐI TƯỢNG, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG<br /> <br /> 39.320 tấn, đậu nành 29.170 tấn và lạc 17.800<br /> <br /> PHÁP NGHIÊN CỨU<br /> 1. Nhiên liệu, vật liệu và thiết bị<br /> <br /> tấn- số liệu năm 2005 [3].<br /> Thành phần chủ yếu của các lọai dầu này<br /> <br /> 1.1. Dầu thực vật Việt Nam và các dung môi<br /> Dầu thực vật Việt Nam được chế biến từ<br /> <br /> là Ester của axit béo và glycêrin. Đặc điểm của<br /> dầu thực vật nguyên chất là có độ nhớt cao,<br /> <br /> các nguyên liệu có nguồn gốc thực vật gồm:<br /> Đậu nành, đậu tương, lạc, vừng, dừa, cám<br /> <br /> tan tốt trong các dung môi hữu cơ không phân<br /> cực như Ete, Ester, acêton…<br /> <br /> gạo…trong đó phổ biến nhất là dầu dừa:<br /> Bảng 1. So sánh thông số nhiệt động của dầu thực vật Việt Nam [2]<br /> Loại<br /> <br /> Khối lượng<br /> <br /> dầu<br /> <br /> 3<br /> <br /> riêng (g/cm )<br /> <br /> Độ nhớt<br /> 0<br /> <br /> Chỉ số<br /> <br /> ở 20 C<br /> <br /> Cêtan<br /> <br /> (Cst)<br /> <br /> (CN)<br /> <br /> Điểm đục<br /> 0<br /> <br /> ( C)<br /> <br /> Điểm<br /> chớp lửa<br /> 0<br /> <br /> ( C)<br /> <br /> Nhiệt trị<br /> (Mj/kg)/Kcal/kg)<br /> <br /> Lạc<br /> <br /> 0.914<br /> <br /> 85<br /> <br /> 39-41<br /> <br /> 9<br /> <br /> 258<br /> <br /> 39,33/9410<br /> <br /> Dừa<br /> <br /> 0.915<br /> <br /> 30-37<br /> <br /> 40-42<br /> <br /> 20-28<br /> <br /> 110<br /> <br /> 37,10/8875<br /> <br /> Nành<br /> <br /> 0.920<br /> <br /> 58-63<br /> <br /> 36-38<br /> <br /> -4<br /> <br /> 330<br /> <br /> 37,30/8925<br /> <br /> Diesel<br /> <br /> 0.836<br /> <br /> 3-6<br /> <br /> 45-50<br /> <br /> -2<br /> <br /> 60<br /> <br /> 43,80/10478<br /> <br /> 1.2. Thiết bị (hình 2): Động cơ D12 (12 Hp; 2.000 Rpm); Hệ thống van, ống, lọc và thiết bị sấy dầu<br /> cùng các bộ chỉ báo.<br /> <br /> Hình 2. Thiết bị nghiên cứu<br /> 2. Phương pháp nghiên cứu: Thực nghiệm<br /> <br /> nhất. Đây là lợi điểm đáng kể khi sử dụng làm<br /> <br /> 2.1. Phương pháp xử lý dầu thực vật làm<br /> <br /> nhiên liệu thay thế, hơn nữa sản lượng dầu<br /> <br /> nhiên liệu cho động cơ diesel.<br /> Muốn sử dụng dầu thực vật làm nhiên liệu<br /> <br /> dừa đứng đầu trong 3 loại dầu thực vật phổ<br /> biến ở Việt Nam. Dựa vào các luận cứ trên<br /> <br /> cần áp dụng những phương pháp xử lý dầu để<br /> tính chất của nó gần giống với nhiên liệu diesel .<br /> <br /> chúng tôi quyết định chọn dầu dừa dùng làm<br /> nhiên liệu cho động cơ diesel.<br /> <br /> Bảng 1 cho thấy: dầu dừa có độ nhớt,<br /> điểm chớp lửa thấp nhất, chỉ số cêtan cao<br /> <br /> Để sử dụng dầu dừa làm nhiên liệu, cần<br /> áp dụng những phương pháp xử lý dầu để tính<br /> <br /> 53<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 01/2008<br /> <br /> Trường Đại học Nha Trang<br /> <br /> chất của nó gần giống với nhiên liệu diesel<br /> truyền thống, đặc biệt là độ nhớt và khả năng<br /> tự bốc cháy (chỉ số cêtan). Tuy nhiên, theo tiêu<br /> <br /> Để giảm độ nhớt của dầu thực vật ta có<br /> thể sử dụng các biện pháp xử lý sau:<br /> • Phương pháp sấy nóng<br /> <br /> chuẩn của Petrolimex, chỉ số cetan của dầu<br /> diesel CNmin = 45, theo ASTM CNmin = 40,<br /> <br /> • Phương pháp pha loãng<br /> • Phương pháp craking<br /> <br /> thì việc cải thiện khả năng tự bốc cháy của<br /> dầu dừa(CN = 40-42) trở thành thứ yếu.<br /> <br /> • Phương pháp nhũ tương hoá<br /> • Phương pháp ester hóa<br /> Chủ yếu là:<br /> <br /> Vấn đề trọng tâm là xử lý giảm độ nhớt.<br /> <br /> a. Điu ch thành Biodiesel (hình1)<br /> Bảng 3. Các thông số hóa lý của Biodiesel dầu dừa [6]:<br /> Chỉ tiêu kỹ thuật<br /> <br /> Giá trị<br /> <br /> 0<br /> <br /> Khối lượng riêng (20 C):<br /> <br /> 0.886 g/cm<br /> <br /> 0<br /> <br /> Độ nhớt (20 C)<br /> <br /> 3<br /> <br /> 5.3 cSt<br /> <br /> Chỉ số Cetan<br /> <br /> 43<br /> 0<br /> <br /> Điểm đục<br /> <br /> -2C<br /> <br /> Điểm chớp lửa<br /> <br /> 93 C<br /> <br /> 0<br /> <br /> Nhiệt trị<br /> <br /> 37.830 kJ/kg<br /> <br /> Hiện tại giá thành thiết bị và công nghệ<br /> <br /> Lý do chọn êtanol và dầu hoả là: Thứ<br /> <br /> còn quá cao: Khoảng 30.000 Euro cho thiết bị<br /> có công suất 50 lít/giờ.<br /> <br /> nhất chúng cũng là nhiên liệu; Thứ hai, có độ<br /> nhớt thấp, độ nhớt của hỗn hợp sẽ giảm khi<br /> <br /> b. Pha dung môi vào du da và gia nhit<br /> Chúng tôi chọn giải pháp pha dung môi<br /> êtanol (TCVN 5689- 1997), dầu hoả (TCVN<br /> <br /> tăng tỉ lệ pha vào dầu thực vật; Thứ ba, có giá<br /> thành chấp nhận được: (7.000 - 8.500đ). Kết<br /> quả cho ở bảng 5. Hỗn hợp có thể làm nhiên<br /> <br /> 6204 – 1997) vào dầu dừa và gia nhiệt hỗn<br /> hợp đến khoảng độ nhớt tương đương với dầu<br /> <br /> liệu để chạy thử nghiệm khi pha 15% dung môi<br /> (có nhiệt trị kèm theo) và gia nhiệt từ (60-<br /> <br /> diesel.<br /> <br /> 70 C).<br /> <br /> o<br /> <br /> Bảng 4. Thông số độ nhớt của hỗn hợp nhiên liệu<br /> dầu dừa + 15% dầu hỏa, dầu dừa + 15% etanol<br /> o<br /> <br /> Nhiệt độ,<br /> o<br /> ( C)<br /> <br /> Chỉ số độ nhớt , ( E)<br /> Dầu dừa + 15%<br /> Êtanol<br /> 2,97<br /> <br /> 30<br /> <br /> Dầu dừa + 15%<br /> Dầu hỏa<br /> 2,73<br /> <br /> 40<br /> <br /> 2,27<br /> <br /> 2,07<br /> <br /> 3,98<br /> <br /> 50<br /> <br /> 2,01<br /> <br /> 1,67<br /> <br /> 3,31<br /> <br /> 60<br /> <br /> 1,72<br /> <br /> 1,55<br /> <br /> 2,20<br /> <br /> 70<br /> <br /> 1,58<br /> <br /> 1,41<br /> <br /> 2,16<br /> <br /> * Nhiệt trị hỗn hợp dầu dừa + 15% Dầu hoả: 38.520 kJ/kg<br /> * Nhiệt trị hỗn hợp dầu dừa + 15% Êtanol: 36.260 kJ/kg<br /> * Nhiệt trị Biodiesel từ dầu ăn phế thải: 39.730 kJ/kg<br /> <br /> 54<br /> <br /> 100%<br /> Dầu dừa<br /> 4,95<br /> <br /> Dầu Diesel<br /> <br /> 1,2-1,67<br /> TCVN<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 01/2008<br /> <br /> Trường Đại học Nha Trang<br /> <br /> 2.3. Thu nhận và xử lý số liệu<br /> <br /> Ở mỗi mức tốc độ thực nghiệm đo 4 lần (r<br /> <br /> Tiến hành chạy thử nghiệm và lấy đặc<br /> tính không tải: Ge= f(n)- n: tốc độ động cơ<br /> <br /> = 4, độ tin cậy 95%), lấy kết quả giá trị trung<br /> bình. Từ bảng số liệu giá trị thực nghiệm, ứng<br /> <br /> Cho động cơ khởi động bằng nhiên liệu<br /> 0<br /> Diesel. Khi nước làm mát 70 C, nhiệt độ hỗn<br /> <br /> dụng phần mềm SPSS 15.0 for Windows [5],<br /> xây dựng hàm hồi qui (bảng 6). Số liệu tính từ<br /> <br /> 0<br /> <br /> 0<br /> <br /> hợp đạt 60 C với êtanol và 70 C với dầu hoả,<br /> tiến hành đo.<br /> <br /> các phương trình hồi qui cho phép vẽ tự động<br /> đồ thị đặc tính không tải của động cơ D12 khi<br /> <br /> • Điều khiển cho động cơ chạy ở các tốc<br /> độ: n = 800, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800,<br /> <br /> sử dụng nhiên liệu là dầu diesel, bio-diesel và<br /> <br /> 2000 (vòng/phút)<br /> • Với mức độ giảm của nhiên liệu 50 ml<br /> trong thời gian t phút thì ta tính được lượng<br /> nhiên liệu giờ theo công thức :<br /> Ge =<br /> <br /> 3<br /> t<br /> <br /> các hỗn hợp nhiên liệu dầu dừa + 15% êtanol,<br /> dầu dừa +15% dầu hỏa ở nhiệt độ gia nhiệt<br /> 0<br /> <br /> 0<br /> <br /> hỗn hợp 60 C, 70 C .<br /> III- KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN<br /> 1. Kết quả nghiên cứu<br /> Đồ thị đặc tính không tải thu được thể<br /> <br /> , (l/h)<br /> <br /> hiện trên hình 3.<br /> <br /> Trong đó: t - Thời gian chạy hết 50 ml<br /> nhiên liệu<br /> Ge[l/h]<br /> <br /> 1.1<br /> 1.0<br /> 0.9<br /> 0.8<br /> 0.7<br /> 0.6<br /> 0.5<br /> 0.4<br /> 0.3<br /> 0.2<br /> 800<br /> <br /> 1000<br /> Diesel<br /> <br /> 1200<br /> 15%E<br /> <br /> 1400<br /> <br /> 1600<br /> <br /> 15%DH<br /> <br /> 1800<br /> Biodiesel<br /> <br /> Hình 3. Đồ thị đặc tính không tải<br /> 2. Thảo luận<br /> <br /> 2000<br /> <br /> n [v/ph]<br /> <br /> Kết quả thực nghiệm (hình 3) cho thấy,<br /> <br /> nhiệt là khả thi hơn cả trong việc thay thế<br /> nhiên liệu cho động cơ diesel cỡ nhỏ. Nó phù<br /> <br /> tiêu hao nhiên liệu giờ của hỗn hợp dầu dừa +<br /> 15% êtanol cao hơn của hỗn hợp dầu dừa<br /> <br /> hợp với trình độ của đa số người dân thuộc<br /> lĩnh vực Nông- Lâm- Ngư, giá thành chuyển<br /> <br /> +15% dầu hỏa khoảng (12 -15)%.<br /> Nguyên nhân chính là do chênh lệch nhiệt<br /> <br /> đổi thấp, có thể áp dụng dễ dàng ở mọi địa<br /> bàn. Vấn đề đáng lưu tâm là nguồn nguyên<br /> <br /> trị, ngoài ra hỗn hợp với êtanol không đồng<br /> <br /> liệu để chiết xuất dầu thực vật, các cây có dầu<br /> <br /> nhất dẫn đến chất lượng hỗn hợp cháy xấu,<br /> hiệu suất nhiệt thấp hơn.<br /> <br /> thường có vòng sinh trưởng dài, năng suất<br /> không cao.<br /> <br /> Với điều kiện nước ta hiện nay, chọn giải<br /> pháp pha dầu thực vật bằng dung môi và gia<br /> 55<br /> <br />