Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ khí động lực nghiên cứu đặc tính công suất và khí thải động cơ diesel sử dụng nhiên liệu biodiesel từ dầu hạt cao su

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ khí động lực nghiên cứu đặc tính công suất và khí thải động cơ diesel sử dụng nhiên liệu biodiesel từ dầu hạt cao su.

• Tác giả: Dương Quang Vinh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Ngọc Dũng
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí - Động lực
• Đề tài: Nghiên cứu đặc tính công suất và khí thải động cơ diesel sử dụng nhiên liệu biodiesel từ dầu hạt cao su
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu và mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá đặc tính công suất và khí thải của động cơ diesel khi sử dụng biodiesel được sản xuất từ dầu hạt cao su. Mục tiêu chính là tìm hiểu ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu B5 và B10 lên hiệu suất và phát thải của động cơ, đồng thời góp phần giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và bảo vệ môi trường.

1.1. Tổng quan về năng lượng và nhiên liệu sinh học

Nghiên cứu bắt đầu với tổng quan về nhu cầu năng lượng toàn cầu và sự chuyển dịch sang các nguồn năng lượng tái tạo. Biodiesel được xem là một giải pháp thay thế hiệu quả cho nhiên liệu hóa thạch, đặc biệt là trong lĩnh vực giao thông và nông nghiệp. Việc sử dụng dầu hạt cao su làm nguyên liệu sản xuất biodiesel không chỉ tận dụng nguồn tài nguyên sẵn có mà còn góp phần phát triển kinh tế nông thôn.

1.2. Mục tiêu và ý nghĩa của nghiên cứu

Nghiên cứu nhằm mục đích điều chế biodiesel từ dầu hạt cao su và đánh giá hiệu quả của nó khi sử dụng trong động cơ diesel. Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp dữ liệu quan trọng về đặc tính công suất và khí thải, hỗ trợ việc ứng dụng rộng rãi nhiên liệu sinh học trong thực tiễn, đặc biệt là trong lĩnh vực nông nghiệp.

II. Phương pháp nghiên cứu và điều chế biodiesel

Nghiên cứu sử dụng phương pháp transester hóa để điều chế biodiesel từ dầu hạt cao su. Quá trình này bao gồm các bước chuẩn bị nguyên liệu, phản ứng hóa học và tinh chế sản phẩm. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng như tỷ lệ mol, nhiệt độ, thời gian và chất xúc tác cũng được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Quy trình điều chế biodiesel

Quy trình điều chế biodiesel bao gồm việc xử lý dầu hạt cao su nguyên liệu, phản ứng transester hóa với methanol và chất xúc tác, sau đó tách và rửa sản phẩm để thu được biodiesel tinh khiết. Hiệu suất chuyển hóa được đánh giá thông qua phân tích hàm lượng methyl ester và các thành phần glyceric.

2.2. Đánh giá chất lượng biodiesel

Chất lượng biodiesel được đánh giá dựa trên các tiêu chuẩn hóa lý như độ nhớt, chỉ số cetane, điểm chớp cháy và hàm lượng tạp chất. Kết quả cho thấy biodiesel từ dầu hạt cao su đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế, phù hợp để sử dụng trong động cơ diesel.

III. Thử nghiệm và đánh giá hiệu suất động cơ

Nghiên cứu tiến hành thử nghiệm động cơ diesel một xy-lanh với các hỗn hợp nhiên liệu B5 và B10. Các thông số về đặc tính công suất và khí thải được đo đạc và phân tích ở các chế độ tải và tốc độ khác nhau.

3.1. Thiết lập thí nghiệm

Thí nghiệm được thiết lập với hệ thống đo lường hiện đại, bao gồm máy đo khí thải, thiết bị phân tích quá trình cháy và các dụng cụ hỗ trợ khác. Động cơ diesel được vận hành ở các chế độ toàn tải và tốc độ cố định để đánh giá hiệu suất và phát thải.

3.2. Kết quả và phân tích

Kết quả thí nghiệm cho thấy hỗn hợp B5 và B10 không ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính công suất của động cơ diesel. Đồng thời, việc sử dụng biodiesel giúp giảm đáng kể lượng khí thải CO2, góp phần bảo vệ môi trường và giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.

IV. Kết luận và hướng phát triển

Nghiên cứu khẳng định tiềm năng của biodiesel từ dầu hạt cao su như một nhiên liệu thay thế hiệu quả cho động cơ diesel. Kết quả cho thấy việc sử dụng hỗn hợp B5 và B10 không chỉ duy trì hiệu suất động cơ mà còn giảm thiểu phát thải khí nhà kính.

4.1. Ý nghĩa thực tiễn

Nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn cao, đặc biệt trong việc ứng dụng nhiên liệu sinh học trong lĩnh vực nông nghiệp. Việc sử dụng biodiesel từ dầu hạt cao su không chỉ giúp giảm phát thải mà còn thúc đẩy phát triển kinh tế nông thôn.

4.2. Hướng phát triển tương lai

Hướng phát triển tương lai bao gồm việc mở rộng quy mô sản xuất biodiesel, nghiên cứu các nguồn nguyên liệu khác và cải thiện quy trình điều chế để tăng hiệu suất và giảm chi phí. Nghiên cứu cũng đề xuất các chính sách hỗ trợ để thúc đẩy việc sử dụng nhiên liệu sinh học trong thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về năng lượng Hiện nay, thế giới đang sử dụng các nguồn năng lượng khác nhau để phục vụ cho sự phát triển và đáp ứng các nhu cầu sinh hoạt. Các nguồn năng lượng được sử dụng gồm có: Năng lượng hóa thạch, năng lượng tái tạo, năng lượng và năng lượng hạt nhân. Tốc độ tăng trưởng năng lượng giảm đáng kể trong những thập niên tới đây, so với nhu cầu năng lượng trong những thập niên vừa qua.

Nhu cầu tăng năng năng lượng mỗi năm là 2.1% ở những tron 2 thập niên trước 2012, nhưng nhu cầu tăng năng lượng trung bình hằng năm sẽ giảm còn 1.3% mỗi năm từ 2012 ÷ 2020 và sau đó còn lại là 1% từ 2020 ÷ 2040. Nguyên nhân nhu cầu năng lượng giảm là do việc sử dụng nguồn năng lượng hiệu quả và có sự chuyển dịch cấu trúc trong nền kinh tế, cấu trúc phù hợp với những hoạt động tiêu thụ ít năng lượng. Nền kinh tế toàn cầu phát triển chậm lại và tốc độ tăng dân số cũng giảm dần cũng phản ảnh nguyên nhân trên của nền kinh tế các nước đang phát triển, cũng như các chính sách mới hiệu quả vừa đạt được hoặc chưa chắc hẳn được áp dụng. Một vài chính sách đòi hỏi cần trãi qua nhiều năm mới đạt được, do cơ sở vật chất chưa được thay thế kiệp.

Nhu cầu năng lượng toàn cầu tăng từ 2012 ÷ 2040, nhưng tốc độ tăng là khác nhau đáng kể. Các nguồn năng lượng cơ bản trong năng lượng hóa thạch vẫn duy trì tăng nhu cầu trong 30 năm đầu, nhưng tốc độ tiếp tục giảm dần; đến năm 2040 thì mỗi trong 3 loại nhiên liệu vẫn chiến một phần tư nhu cầu năng lương toàn cầu. Nguồn năng lượng tái sinh và năng lương hạt nhân tiếp tục duy trì một phần tư nhu cầu, năng lượng tái sinh có tốc độ nhu cầu tăng nhanh hơn các loại nhiên liệu khác. Nhu cầu về dầu mỏ vẫn là nguồn năng lượng cung cấp lớn nhất cho toàn cầu, tuy nhu cầu dầu mỏ sẽ giảm dần trong tử 31% năm 2012 đến 26% năm 2040, vẫn xếp trên than đá và khí thiên nhiên.

Tốc độ tăng nhu cầu dầu mỏ sẽ giảm dần, từ 0.9% từ trước đến năm 2020 và còn lại là 0. Sản lượng dự đoán sẽ tăng từ 90 triệu thùng/ ngày năm 2013 đến 104 triệu thùng/ngày năm 2040. Có sự kết hợp giữa giá nhiên liệu, áp dụng công nghệ kĩ thuật và chính sách năng lượng giúp tăng hiệu quả sử dụng 2 dầu được cải thiện, ngoài ra có sự chuyển hướng sử dụng nhiên liệu thay thế khác trong vận tải và chính sách bảo tồn nguồn dầu thô. Tăng nhu cầu dầu chủ yếu tập trung trong ngành vận tải, công nghiệp và các dịch vụ có liên quan Nhu cầu than đá vẫn duy trì tăng lên, nhưng tốc độ tăng sẽ giảm dần theo giai đoạn 2012 ÷ 2020 là 1%, những năm 2020 là 0.3% mỗi năm, những năm 2030 còn 0.

Sản lượng khai thác năm 2040 là 6 400 triệu tấn tăng 15% so với năm 2012 là 5 540 triệu tấn, nhưng nhu cầu toaàn cầu giảm từ 29% còn 24% Nhu cầu khí thiên nhiên tăng nhanh nhất trong ba loại nhiên liện hóa thạch chính. Nhu cầu tăng từ 3.4 nghìn tỉ mét khối năm 2012 đến 5.4 nghìn tỉ mét khối năm 2040, tăng 57% và 1.6% trung bình mỗi năm. Đến năm 2040, nhu cầu năng lượng khí thiên nhiên tăng thêm 3% trong tổng nhu cầu năng lượng toàn cầu, đạt mức 24%. Nhu cầu sử dụng khí thiên nhiên tăng là do: thị trường Bắc Mỹ mở rộng, cắt giảm khí thải từ các nguồn dầu mỏ và than đá.

Nhu cầu khí thiên nhiên ở các nước châu Âu tăng lên. Sản xuất khí thiên nhiên của Nga tăng mạnh. Và ngoài ra các nước chuyển hướng sử dụng khí thiên nhiên cho các nhà máy, giao thông vận tải ngày càng sử dụng khí thiên nhiên thay vì dầu truyền thống. Năng lượng hạt nhân từ 392 gigawatt năm 2013 đến 624 gigawatt năm 2040.

Số lượng các nước có nhà máy điện hạt nhân tăng từ 31 đến 36. Tốc độ tăng nhu cầu sử dụng năng lượng hạt nhân chậm hơn so với những năm 1980 nhưng mức tăng cũng đáng kể so với những năm trước 2013. Việc sử dụng năng lượng tái tạo tăng mạnh mẽ trong tương lai do có chính sách hỗ trợ, sự phát triển công nghệ, giá nhiên liệu hóa thạch tăng, và hiện tượng tăng khí thải cacbon toàn cầu. Nhu cầu nhiên liệu tái sinh đạt 15% năm 2040, so với 8% năm 2012.

Phân nửa việc tăng nhu cầu năng lượng thay thế từ nguồn năng lượng gió và mặt trời, tăng trung bình 8% mỗi năm. Năng lượng thủy điện cũng được mở rộng, trung bình hằng năm tăng 1.8%, một phần nhờ sự phát triển công nghệ và sự bảo vệ môi trường. Việc sử dụng năng lượng sinh học (biofuel) tăng lên đáng kể từ 1.3 triệu thùng/ngày đến 4.6 triệu trùng/ngày [20].1: Dự đoán nhu cầu năng lượng toàn cầu 2040 Với nhu cầu và tốc độ tăng nhu cầu tiêu thụ năng lượng được dự đoạn thì lượng nhiên liệu dầu dự trữ trên toàn cầu lần lượt là 1650 tỉ thùng và sẽ cạn kiệt khoảng 54 năm nữa; lượng than đá dự trữ 869 tỉ tấn và sẽ cạn kiệt trong 115 năm nữa; lượng khí thiên nhiên còn lại là 209741.9 triệu mét khối và sẽ cạn kiệt khoảng 60 năm nữa. Nhiệt độ trung bình trái đất tăng lên 0.

Theo dự đoán, nhiệt độ trung bình trái đất sẽ tăng lên 3.6 oC đến năm 2040, nếu tiếp tục duy trì nhu cầu tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch như hiện nay. Nhưng nhiệt độ trung bình trái đất sẽ tăng 2 C, nếu hạn chế sử dụng nhiên liệu hóa thạch và tăng cường sử dụng các năng lượng o không thải ít cacbon. Năm 2012, lượng cacbon thải ra là 31.6 gigaton, so với năm 2011 thì lượng cacbon thải ra tăng 400 triệu tấn. Than đá chiếm 44% tổng lượng khí thải, dầu là 36% và khí thiên nhiên 20%.2: Lượng khí thải CO2 của nhiên liệu hóa thạch 1.

Nhiên liệu tái tạo Năng lượng tái tạo là năng lượng được từ các nguồn mà con người có thể tái sử dụng được nhiều lần như nguồn từ: mặt trời, gió, thủy triều, sóng, nhiệt địa… Năng lượng tái tạo được sử dụng trong các lĩnh vực giao thông, công nghiệp, xây dựng, sinh hoạt và các hoạt động khác, giúp cho giảm tiêu thụ nguồn năng lượng hóa thạch và giảm lượng phát thải CO2 đến 7. [1] Trong các nguồn năng lượng tái tạo thì năng lượng sinh học, xuất phát từ các nguồn: rừng, nông nghiệp, rác chất thải, và biogas. Các nguồn năng lượng này phát triển mạnh mẽ và có tính cạnh tranh ngày càng cao; nhờ sự hỗ trợ của các chính sách của các nước, giá cả năng lượng hóa thạch tăng cao, và sự nóng lên toàn cầu do khí thải các bon của các nguồn năng lượng hóa thạch sinh ra. Các nguồn năng lượng bioethanol, biodiesel, biogas hiện nay đang phát triển và được ứng dụng rất mạnh mẽ vào động cơ đốt trong trong phát điện, giao thông vận tải, sinh hoạt … Trong đó bioethanol dùng cho các loại động cơ xăng, biodiesel được sở dụng cho các loại động cơ diesel.

Nguồn nguyên liệu biodiesel 5 Diesel sinh học là một loại nhiên liệu có tính chất tương đương với nhiên liệu dầu diesel nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ mà từ dầu thực vật hay mỡ động vật. Diesel sinh học nói riêng, hay nhiên liệu sinh học nói chung, là một loại năng lượng tái tạo. Nhìn theo phương diện hóa học thì diesel sinh học là methyl este của những axít béo. Năng lượng biodiesel diesel được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau, nhưng có thể chia thành 2 nguồn chính.

Đó là nguồn dầu ăn được và nguồn dầu không ăn được. Các nguồn từ dầu ăn được gồm: dầu phộng, hướng dương, cải dầu, dầu dừa, dầu mỡ động vật… Nguồn dầu không ăn được gồm: dầu jatropha, cao su, bã đậu … Hai loại dầu trên đều sử dụng khả thi trên động cơ diesel. Nhưng hiện nay do vấn đề an ninh lương thực, nguồn cung cấp cho tổng hợp dầu biodiesel từ dầu ăn được bị hạn chế , ngoài ra giá của dầu ăn tăng cao. Nên nguồn dầu không ăn được đang được quan tâm trên thế giới cũng như ở Việt nam.

Tại Việt nam, theo “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” thì nguồn nhiên liệu sinh học sẽ đáp ứng 1% nhu cầu xăng dầu cả nước với lượng pha E5 và B5, sản lượng đạt 250 nghìn tấn. Tầm nhìn 2025, sản lượng đạt 1,8 triệu tấn, đáp ứng 5% nhu cầu xăng dầu của cả nước. Các nguồn để tổng hợp nhiên liệu sinh học khá phong phú như: Dầu thải, mỡ cá, jatropha, dầu phộng, dầu dừa… 1. Đậu tương Diện tích đậu tương cả nước tăng từ 110.000 ha năm 2000 với tốc độ tăng bình quân 22.5% đến năm 2005 cả nước hiện có khoảng 203.600 ha gieo trồng đậu tương, năng suất bình quân 1,4 tấn/ha, tăng 6.3% sản lượng đậu tương cả nước đạt 291.5 nghìn tấn, cao gấp 2.6 lần so với năm 1990.

Gần 50% sản lượng đậu tương hàng năm được sản xuất ở đồng bằng sông Hồng và vùng Đông Bắc. Lạc Diện tích của cả nước tăng từ 200 nghìn ha năm 1990 lên 269 nghìn ha năm 2005 với tốc độ tăng bình quân 1,5%/năm. Vùng Bắc Trung Bộ có diện tích gieo trồng cao nhất, chiếm khoảng 30% tổng diện tích lạc hàng năm của cả nước. Jatropha 6 Chưa có thống kê đầy đủ nhất về sản lượng hạt jatropha.

Tuy nhiên, các dự án phát triển cây này đang được các bộ, ngành quan tâm đặc biệt và được triển khai trồng tại nhiều địa phương đặc biệt là những địa phương có đất đồi cằn cỗi không thể dùng để trồng các loại cây khác (như Bình Thuận, Ninh Thuận, Kon Tum và nhiều tỉnh miền núi phía Bắc). Đây là 1 loại cây cho năng suất cao, thời gian thu hoạch ngắn, chăm sóc dễ dàng và dầu của nó có thể sử dụng làm nhiên liệu rất tốt. Gần đây có 1 số công ty nước ngoài như Công ty EcoCarbon của Pháp đang đề nghị Chính phủ Việt Nam cho phép cung cấp giống cây Jatropha và trồng thử nghiệm tại nhiều địa phương trên cả nước. Dừa Tổng diện tích dừa của Việt Nam năm 2005 là khoảng 132.100 ha và sản lượng khoảng 972.200 tấn, năng suất trung bình 7,35 tấn quả/ha.

Hai khu vực trồng dừa lớn nhất là Đồng bằng sông Cửu Long và duyên hải Nam Trung Bộ với diện tích tương ứng khoảng 105. Sản lượng năm 2003 xấp xỉ 714. Mỡ cá basa Trong điều kiện Việt Nam, mỡ cá đang được chú ý như là một nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel.