CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHỤ GIA CHO NHIÊN LIỆU DIESEL 1.1 Đặc điểm tính chất nhiên liệu diesel 1.1 Giới thiệu chung Dầu mỏ được con người biết đến từ thời cổ xưa, đến thế kỷ XVIII, dầu mỏ được sử dụng làm nhiên liệu đốt cháy, thắp sáng. Sang thế kỷ XIX, dầu mỏ được coi như là nguồn nhiên liệu chính cho mọi phương tiện giao thông và cho nền kinh tế quốc dân. Hiện nay dầu mỏ đã trở thành nguồn năng lượng quan trọng nhất của mọi quốc gia trên thế giới. Khoảng 65 70% năng lượng sử dụng từ dầu mỏ, chỉ có 20 25% năng lượng từ than, 5 6% từ năng lượng nước và 8 12% từ năng lượng hạt nhân [1].
Sự phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp, đặc biệt là ngành giao thông vận tải dẫn đến nhu cầu về nhiên liệu nói chung và nhiên liệu diesel nói riêng ngày càng tăng cao. Theo khảo sát, nhiên liệu hóa thạch chiếm tới 80% năng lượng tiêu thụ chính trên thế giới, trong đó 58 66% được tiêu thụ bởi các phương tiện vận tải [2, 3]. Ở Châu Á – Thái Bình Dương, theo dự báo của Wood Mackenzie, tổng nhu cầu sản phẩm dầu sẽ tăng trung bình 1,6%/năm từ năm 2015 2035. Năm 2015, mức độ sử dụng diesel chiếm 30% so với các loại nhiên liệu hóa thạch khác, và duy trì ổn định đến năm 2035.
Ở Việt Nam tỷ lệ này lần lượt là 38% và 42% (Hình 1. Châu Á – Thái Bình Dương Việt Nam Hình 1.1 Nhu cầu, dự báo sản phẩm dầu khu vực châu Á – Thái Bình Dương và Việt Nam giai đoạn 2000 2035 [4, 5] Động cơ đốt trong được sử dụng rộng rãi trên các thiết bị máy móc phục vụ phát triển nền kinh tế do những ưu điểm nổi bật như: kết cấu chắc chắn, làm việc tin cậy, hiệu suất tương đối cao, thuận lợi trong bảo dưỡng sửa chữa và tiết kiệm nhiên liệu. Do có hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao hơn và sử dụng nhiên liệu rẻ hơn xăng nên động cơ diesel luôn được ưu tiên sử dụng là nguồn động lực trên các máy phát điện, máy công trình, máy móc nông nghiệp, trong ngành công nghiệp nặng, và nhất là trên các phương tiện vận tải đường bộ, đường biển. Tuy nhiên phát thải từ các loại phương tiện này cũng chiếm một tỷ trọng lớn gây ô nhiễm môi trường [6].2 Chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu diesel Nhiên liệu diesel bao gồm hỗn hợp của các hydrocacbon có điểm sôi nằm trong dải từ 1800C đến 3600C, cao hơn so với nhiên liệu xăng.
Ước tính có khoảng hơn 10000 chất đồng phân trong nhiên liệu diesel. Giống như xăng, nhiên liệu diesel là hỗn hợp của các hydrocacbon dạng parafin, ôlefin, naptin và hydrocacbon thơm nhưng có tỷ lệ tương đối khác nhau. Khối lượng phân tử của nhiên liệu diesel thay đổi trong khoảng từ 170 đến 200. Nhiên liệu diesel có mật độ năng lượng lớn hơn khoảng 8% theo thể tích so với xăng, nhưng khả năng bắt cháy kém hơn rất nhiều và được sử dụng chủ yếu trong các loại ô tô tải hạng nặng [7].
Các chỉ tiêu chất lượng và phương pháp thử tương ứng của nhiên liệu diesel được quy định trong Bảng 1.1 Chỉ tiêu chất lượng cơ bản của nhiên liệu diesel theo QCVN 01:2015/BKHCN [8] Tên chỉ tiêu Mức 2 Mức 3 Mức 4 Phương pháp thử TCVN 6701 (ASTM D 2622) 1. Hàm lượng lưu max. - Trị số cetan 46 48 50 TCVN 7630 (ASTM D 613) - Chỉ số cetan 1) 46 48 50 TCVN 3180 (ASTM D 4737) 3. Nhiệt độ cất tại 90 % thể tích thu max.
Điểm chớp min. 55 55 55 TCVN 2693 (ASTM D 93) cháy cốc kín, °C 5. Độ nhớt động học tại 40 °C, 2,0-4,5 2,0-4,5 2,0-4,5 TCVN 3171 (ASTM D 445) 2 mm /s 6. Điểm đông đặc 2) max.
Hàm lượng max. 200 200 200 TCVN 3182 (ASTM D 6304) nước, mg/kg 8. Hàm lượng chất thơm đa vòng ASTM D 5186; max. - 11 11 (PAH), % khối ASTM D 6591 lượng 1) Có thể áp dụng chỉ số cetan thay cho trị số cetan, nếu không có sẵn động cơ chuẩn để xác định trị số cetan và không sử dụng phụ gia cải thiện trị số cetan.
2) Vào mùa đông, ở các tỉnh, thành phố phía Bắc, các nhà sản xuất, kinh doanh phân phối nhiên liệu phải đảm bảo cung cấp nhiên liệu diesel có điểm đông đặc thích hợp sao cho nhiên liệu không gây ảnh hưởng đến sự vận hành của động cơ tại nhiệt độ môi trường. 6 Bên cạnh nhiên liệu diesel khoáng, hiện nay nhiên liệu diesel sinh học (biodiesel) hiện cũng đang được sử dụng khá phổ biến cho động cơ diesel trên thế giới. Nhiên liệu diesel sinh học được định nghĩa là một dạng nhiên liệu dùng để thay thế diesel có nguồn gốc từ dầu thực vật (đậu nành, dừa, cọ, hạt cao su.) hoặc mỡ động vật (ví dụ mỡ cá basa, cá tra, mỡ bò, mỡ lợn, mỡ gà.), được sử dụng rất thông dụng trên thị trường Châu Âu, Châu Mỹ và hiện nay bắt đầu xuất hiện ở Châu Á. Nhiên liệu diesel sinh học là các ankyl este của axit béo.
Với nhiên liệu B5, tính chất và chỉ tiêu chất lượng cơ bản tương tự nhiên liệu diesel khoáng theo QCVN 01:2015/BKHCN. Hai chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu B5 được bổ sung thêm so với nhiên liệu diesel là hàm lượng metyl este axit béo (FAME) từ 4 ÷ 5% thể tích và độ ổn định oxy hóa lớn nhất là 25mg/100ml.3 Ảnh hưởng của một số thông số chính của nhiên liệu diesel tới chất lượng hoạt động của động cơ Trị số cetan: Trị số cetan là thông số đánh giá khả năng tự bắt cháy của nhiên liệu diesel, trị số cetan của diesel càng cao thì khả năng bắt cháy càng cao. Nhiên liệu diesel thông thường có trị số cetan từ 50 đến 52 và 53 đến 54 đối với động cơ cao tốc. Nhiên liệu diesel sinh học là các alkyl este mạch thẳng do vậy nhiên liệu này có trị số cetan cao hơn diesel khoáng, trị số cetan của nhiên liệu diesel sinh học thường từ 56 đến 58.
Hàm lượng lưu huỳnh: Tùy theo hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu sẽ ảnh hưởng đến khí thải SOx gây ăn mòn thiết bị và gây ô nhiễm môi trường. Hàm lượng lưu huỳnh càng thấp thì lượng phát thải SOx càng giảm. Hiện nay hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu DO trên thị trường từ 0,001 đến 0,05%. Nhiên liệu diesel tái cấu trúc (RFD) có hàm lượng lưu huỳnh dưới 0,01% [7].
Thành phần oxy: Thành phần oxy trong nhiên liệu ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình cháy. Lượng oxy càng cao thì quá trình cháy nhiên liệu xảy ra càng tốt làm muội, cặn trong động cơ giảm đáng kể. Khả năng bôi trơn: Khả năng bôi trơn của nhiên liệu được đặc trưng bởi giá trị HFRR (High-Frequency Receiprocating Rig), với diesel giá trị HFRR là 450. Khả năng bôi trơn tốt sẽ giảm sự mài mòn của động cơ.
Tính ổn định: Nhiên liệu diesel có tính ổn định cao nên thuận lợi về quá trình vận chuyển, bảo quản. Nhiệt độ chớp cháy: Nhiệt độ chớp cháy của nhiên liệu diesel khoáng thấp (khoảng 60 C) nên nhiên liệu dễ cháy giúp quá trình cháy triệt để, hiệu quả sinh nhiệt tốt, công 0 suất cao. Tuy nhiên cần chú ý trong vận chuyển, tồn chứa để đảm bảo an toàn.2 Nhiên liệu diesel sinh học Nhiên liệu diesel sinh học (còn gọi là biodiesel) được định nghĩa là một dạng nhiên liệu dùng để thay thế diesel có nguồn gốc từ dầu thực vật (đậu nành, dừa, cọ, hạt caosu.) hoặc mỡ động vật (ví dụ mỡ cá basa, cá tra, mỡ bò, mỡ lợn, mỡ gà.), được sử dụng khá phổ biến trên thị trường Châu Âu, Châu Mỹ và hiện nay bắt đầu xuất hiện ở Châu Á. Nhiên liệu diesel sinh học là các ankyl este của axit béo.
Cũng giống như diesel, nhiên liệu diesel sinh học có thể sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel.1 Nguồn nguyên liệu sản xuất diesel sinh học Trước đây, kể từ khi động cơ diesel được phát minh ra thì nhiên liệu mà người ta sử dụng đầu tiên chính là dầu thực vật. Nhưng nguyên liệu dầu thực vật đã không được lựa chọn làm nhiên liệu cho động cơ diesel vì giá của dầu thực vật đắt hơn giá của diesel khoáng. Gần đây, với sự tăng giá của nhiên liệu khoáng và sự hạn chế số lượng của nó, nên nhiên liệu dầu thực vật ngày càng được quan tâm và có khả năng thay thế cho nhiên liệu dầu khoáng trong tương lai gần, vì những lợi ích về môi trường và khả năng tái sinh của dầu thực vật. Dầu thực vật sử dụng cho quá trình tổng hợp nhiên liệu diesel sinh học phải có chỉ số axit thấp hơn 0,5 mg KOH/g dầu.
Đối với dầu đã tinh chế thì có thể sử dụng ngay để tiến hành phản ứng. Nhưng đối với dầu thực vật thô hay dầu thải có chỉ số axit cao và nhiều tạp chất hữu cơ khác thì phải tiến hành tinh chế để loại bớt thành phần axit béo và các tạp chất bằng cách trung hòa bằng kiềm. Việc sử dụng dầu thực vật như một nhiên liệu thay thế để cạnh tranh với dầu mỏ đã được bắt đầu từ những năm 1980. Do những thuận lợi của các loại dầu thực vật so với nhiên liệu diesel là chúng có thể nuôi trồng, sẵn có, có khả năng tái sinh được, nhiệt trị tương đối cao, hàm lượng lưu huỳnh thấp hơn, hàm lượng chất thơm ít hơn, tuy nhiên khả năng dễ bị vi khuẩn phân hủy, độ nhớt cao hơn, khả năng bay hơi thấp hơn.
Vấn đề chính liên quan đến việc hạn chế sử dụng trực tiếp dầu thực vật là độ nhớt quá cao, do vậy cần phải có quá trình chế biến, tổng hợp. Các nguồn nguyên liệu để sản xuất diesel sinh học bao gồm: Dầu thực vật: Một số loại dầu thực vật dùng để sản xuất diesel sinh học như: Dầu dừa, dầu hạt cao su, dầu sở, dầu bong, dầu hướng dương, dầu thầu dầu, dầu lạc, dầu vừng, dầu ngô, dầu cọ, dầu hạt cải, dầu mè (Jatropha), dầu đậu nành. Nói chung, các hàm lượng chất béo của các dầu thực vật khác nhau, nhưng hầu hết tất cả các loại dầu thực vật đều có thể là nguyên liệu để sản xuất diesel sinh học hoặc pha trộn với nhiên liệu khoáng làm giảm đáng kể các khí độc hại trong khí thải như SOx, NOx, HC, CO,. Ở nước ta rất thích hợp với các loại cây lấy dầu, vốn đầu tư lại ít nên việc trồng với một lượng lớn các cây dầu này sẽ là nguồn nguyên liệu tốt cho quá trình sản xuất diesel sinh học và rất có ý nghĩa về mặt bảo vệ môi trường.
