Chương 1: Giới thiệu, cung cấp tổng quan về các vấn đề nghiên cứu nhiên liệu sinh học biodiesel và tổng hợp các nghiên cứu đặc trưng quá trình cháy trên buồng cháy đẳng tích. Từ các phân tích tổng hợp xây dựng các mục tiêu nghiên cứu và xác định các ý nghĩa của luận văn. Chương 2: Trình bày các cơ sở lý thuyết của nhiên liệu sinh học biodiesel, các đặc tính lý hóa đặc trưng của nhiên liệu biodiesel, cùng với ảnh hưởng của các đặc tính nhiên liệu biodiesel đến động cơ đốt trong. Bên cạnh đó, các đặc trưng quá trình cháy của nhiên liệu trên hệ thống thực nghiệm buồng cháy đẳng tích cũng được đề cập.
5 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI Chương 3: Phân tích chi tiết nhiên liệu dầu cọ được sử dụng trong nghiên cứu này, các kết quả đo đặc tính lý hóa của các hỗn hợp nhiên liệu dầu cọ - diesel. Bên cạnh đó, các đánh giá về kết quả đo kiểm đặc tính nhiên liệu và ảnh hưởng kết quả đặc tính đến kết quả đặc tính cháy được tổng hợp. Chương 4: Mô tả chi tiết nguyên lý hoạt động, cấu tạo của hệ thống thực nghiệm buồng cháy CVCC. Hơn nữa, các điều kiện thực nghiệm, quy trình thực nghiệm khảo sát sự cháy trên buồng cháy CVCC, cùng với quy trình xử lý số liệu và tính toán các đặc tính quá trình cháy trên CVCC được mô tả chi tiết.
Chương 5: Trình bày các kết quả đặc tính quá trình cháy của các hỗn hợp nhiên liệu sinh học dầu cọ - diesel, phân tích các nguyên nhân và xác định các yếu tố tác động đến xu hướng kết quả. Chương 6: Các kết luận của luận văn, và gợi ý hướng phát triển của đề tài. 6 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2 trình bày những cơ sở lý thuyết của nhiên liệu biodiesel, ảnh hưởng của đặc tính nhiên liệu lên đặc tính quá trình cháy và tính năng làm việc của động cơ thực tế.
Các công thức để tính toán đặc tính quá trình cháy trên hệ thống buồng cháy đẳng tích được hiển thị.1 Nhiên liệu sinh học biodiesel 2.1 Tổng quan nhiên liệu biodiesel Nhiên liệu biodiesel được xem như là một loại nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu hóa thạch diesel sử dụng trên động cơ đốt trong cháy nén. Nhiên liệu sinh học biodiesel được định nghĩa là một mono-alkyl esters của chuỗi dài axit béo (fatty acids) có nguồn gốc từ dầu thực vật, mỡ động vật và được sản xuất bằng cách kết hợp với alcohol như methanol hoặc ethanol [11].1 mô tả phản ứng transesterification tạo biodiesel từ dầu thực vật và alcohol. Nhiên liệu biodiesel được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới ngay cả ở dạng nguyên chất 100 % biodiesel (B100) hoặc được trộn với nhiên liệu diesel theo các tỷ lệ khác nhau. Nhiên liệu biodiesel có thể trộn lẫn với diesel ở mọi tỷ lệ.
Ở một số quốc gia, hỗn hợp bao gồm 20 % biodiesel và 80 % diesel (hay còn gọi là B20) được sử dụng phổ biến và thương mại thay thế cho nhiên liệu diesel truyền thống.1 Phản ứng transesterification sản xuất biodiesel [12]. 7 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.2 phân tích vòng đời của nhiên liệu sinh học biodiesel từ khi được sản xuất tới khi ứng dụng. Chu trình bắt đầu bằng việc khai thác các nguồn nguyên liệu thô để sản xuất dầu biodiesel sinh học và kết thúc bằng việc ứng dụng chúng trên các động cơ đốt trong. Chính nhờ sự cân bằng khí thải carbon dioxide (CO2) của nhiên liệu biodiesel sinh học giúp chúng được gọi là một loại nhiên liệu thay thế bền vững.
Biodiesel được chú trọng nghiên cứu bởi các nhà nghiên cứu nhờ những lý do: có khả năng phân hủy cao và độc tính thấp, nhiên liệu biodiesel có thể thay thế cho nhiên liệu diesel trên các ứng dụng khác nhau: động cơ đốt trong hoặc buồng gia nhiệt với không có bất kì sự thay đổi nào về phần cứng của các hệ thống ứng dụng, đặc biệt trong nhiên liệu biodiesel không chứa sulfates và aromatics, giúp giảm lượng khí thải độc hại tới con người và phá hủy động cơ [13][14][15]. Sự phát triển của nhiên liệu biodiesel thúc đẩy phát triển nông nghiệp từ đó trung hòa khí thải CO2.2 Vòng đời của nhiên liệu sinh học biodiesel.2 Sản xuất biodiesel Trên thế giới có khoảng hơn 300 loại nguyên liệu đã được xác định để sản xuất biodiesel, nó bao gồm các nguyên liệu thương mại và không thương mại [16][17]. Khả năng phổ biến của nhiên liệu biodiesel phụ thuộc vào 2 yêu cầu chính: giá thành thấp và nguồn cung nguyên liệu dồi dào, ổn định. Đặc thù nguồn nguyên liệu để sản xuất biodiesel sẽ bị phụ thuộc vào các đặc thù tự nhiên của khu vực trồng trọt: khí hậu, vị trí địa lý, điều kiện đất đai và tập quán nông nghiệp.
Nhìn chung, biodiesel có thể được phân chia thành 4 loại chính tương ứng với 4 giai đoạn phát triển của nhiên liệu biodiesel: ❖ Giai đoạn thứ nhất: Nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel chủ yếu từ dầu thực vật được sử dụng làm lương thực: củ cải, đậu nành, dầu hướng dương, dầu cọ và dầu dừa,… được xem xét như là giai đoạn thứ nhất của quá trình phát triển nhiên liệu biodiesel. ❖ Giai đoạn thứ hai: Biodiesel từ các loại dầu không được sử dụng làm lương thực: jatropha, karanja, halophytes, dầu thải hoặc dầu tái chế hoặc mỡ động vật (mỡ heo, mỡ cá, mỡ gà) được coi như là một giải pháp tối ưu và được chú trọng nghiên cứu bởi vì các nguồn nguyên liệu này dễ dàng tìm kiếm trong cuộc sống hằng ngày trên toàn thế giới, không cạnh tranh lương thực thực phẩm với con người và tính kinh tế hơn so với dầu được sử dụng làm lương thực. ❖ Giai đoạn thứ ba: Sinh khối tảo (algal biomass) được xem như là một sự lựa chọn hứa hẹn cho sản xuất biodiesel nói chung và các ứng dụng khác nói riêng. Vi tảo có một số ưu điểm quan trọng như cần ít không gian để phát triển, hàm lượng dầu cao, khả năng phát triển trong cả môi trường nhân tạo và tự nhiên, vi tảo tiêu thụ CO2, thân thiện với môi trường và đặc biệt có thể sử dụng để sản xuất dầu biodiesel sinh học.
Đặc biệt, vi tảo phát triển mạnh mẽ ở các nước có nhiều đầm lầy, ao hồ và đường bờ biển dài. ❖ Giai đoạn thứ tư: Giai đoạn thứ tư đi liền với sự phát triển của khoa học công nghệ, đó là quá trình biến đổi gen các vi sinh vật như vi tảo, nấm men và vi khuẩn lam,… Khả năng tốc độ tăng trưởng cao và hàm lượng dầu cao, kết hợp với độ phức 9 CƠ SỞ LÝ THUYẾT tạp cấu trúc thấp là tiền đề để thúc đẩy sản xuất thương mại và ứng dụng. Ngoài công nghệ biến đổi gen, một số công nghệ khác như nhiệt phân ở nhiệt độ cao từ 400 oC tới 600 oC, khí hóa, chuyển hóa năng lượng mặt trời thành nhiên liệu cũng đã được nghiên cứu và áp dụng để sản xuất biodiesel.3 Phân loại các giai đoạn phát triển của biodiesel. Trong nỗ lực nâng cao hiệu suất sản xuất, giảm thiểu chi phí sản xuất và giá thành nhiên liệu biodiesel, tạo ra nhiên liệu biodiesel với độ ổn định và các đặc tính nhiên liệu là tương đồng nhất với nhiên liệu diesel hóa thạch và hướng đến sản xuất công nghiệp nhiên liệu biodiesel.
Để đáp ứng các mục tiêu trên, nhiều phương pháp, công nghệ sản xuất đã được nghiên cứu trên khắp thế giới. Trong đó, 4 phương pháp chính đã được áp dụng trong sản xuất biodiesel thương mại: dilution, pyrolysis, transesterification và supercritical methanol. Những ưu điểm và nhược điểm của các phương án sản xuất trên đã được hiển thị chi tiết trong Bảng 2. 10 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Bảng 2.1 So sánh các công nghệ sản xuất biodiesel chính [11].
Công nghệ sản Điểm mạnh Điểm yếu xuất Dilution - Quy trình chế tạo đơn - Độ nhớt cao giản - Khả năng bay hơi thấp - Độ ổn định thấp Pyrolysis - Quy trình chế tạo đơn - Yêu cầu nhiệt độ cao giản - Trang thiết bị giá thành cao - Không gây ô nhiễm - Độ tinh khiết thấp Transesterifications - Đặc tính nhiên liệu tương - Yêu cầu lượng axit béo tự đồng với nhiên liệu do thấp và hàm lượng nước diesel thấp - Hiệu suất chuyển đổi cao - Khí thải trong quá trình sản - Giá thành thấp xuất - Phù hợp với sản xuất - Xảy ra các phản ứng phụ công nghiệp - Tách sản phẩm phản ứng - Không cần chất xúc tác khó khăn Supercritical - Thời gian phản ứng thấp - Yêu cầu nhiệt độ cao và áp methanol - Hiệu suất chuyển đổi cao suất cao - Khả năng thích ứng tốt - Trang thiết bị giá thành cao - Tiêu thụ nhiều năng lượng 2.3 Đặc tính nhiên liệu biodiesel Nhiên liệu sinh học biodiesel được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu khác nhau, công nghệ sản xuất và quy mô sản xuất khác nhau sẽ ảnh hưởng đến chất lượng của nhiên liệu biodiesel. Chất lượng biodiesel được thể hiện qua các đặc tính nhiên liệu là tương đồng với nhiên liệu diesel. Vì vậy, các tiêu chuẩn về chất lượng nhiên liệu biodiesel được thiết lập để đảm bảo quá trình hoạt động của động cơ không gặp bất kỳ vấn đề kỹ thuật nào khi sử dụng biodiesel. Mỗi quốc gia sẽ có một bộ tiêu chuẩn đặc tính lý hóa riêng cho loại nhiên liệu biodiesel, tuy nhiên, các tính chất và chất lượng của biodiesel phải tuân theo các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của dầu biodiesel sinh học toàn cầu: American Standards for Testing Materials (ASTM 6751-3) và 11 CƠ SỞ LÝ THUYẾT European Union (EN 14214).
Các đặc tính lý hóa đặc trưng của các tiêu chuẩn nhiên liệu biodiesel sinh học đã được hiển thị chi tiết tại Phụ lục D. ❖ Độ nhớt động học Độ nhớt động học (µ) là một thông số đặc tính rất quan trọng trên nhiên liệu sử dụng cho động cơ cháy nén, nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng quá trình phun nhiên liệu, và quá trình hóa hơi nhiên liệu trong buồng cháy. Khi độ nhớt nhiên liệu càng cao thì chất lượng quá tình phun nhiên liệu càng kém. Giá trị tối đa cho phép của độ nhớt nhiên liệu biodiesel theo tiêu chuẩn ASTM D6751 và EN 14214 là 3.
❖ Mật độ Đặc tính mật độ (ρ) của nhiên liệu được định nghĩa là khối lượng của nó trên một đơn vị thể tích. Dầu thực vật (metyl ester) có mật độ cao hơn nhiên liệu diesel thông thường. Mật độ được đo theo tiêu chuẩn ASTM D1298 và được thử nghiệm tại điều kiện nhiệt độ tham khảo là 15 – 20 oC. ❖ Nhiệt trị Nhiệt trị (Q) là lượng nhiệt được giải phóng bởi quá trình đốt cháy một đơn vị nhiên liệu.