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

Mục lục chi tiết

• NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về năng lượng
• 1.2. Nhiên liệu tái tạo
• 1.3. Nguồn nguyên liệu biodiesel
• 1.4. Dầu phế thải
• 1.5. Dầu hạt cao su
• 1.6. Mục đích nghiên cứu của đề tài
• 1.7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: BIODIESEL VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ BIODIESEL
• 2.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL
• 2.1.1. Dầu thực vật
• 2.1.2. Phương pháp pha trộn và gia nhiệt
• 2.1.3. Phương pháp nhũ tương
• 2.1.4. Phương pháp nhiệt phân (cracking nhiệt)
• 2.1.5. Phương pháp tranester hóa
• 2.1.5.1. Phương pháp tranester hóa xúc tác acid
• 2.1.5.2. Phương pháp tranester hóa xúc tác bazơ
• 2.1.5.3. Phương pháp tranester hỗ trợ siêu âm
• 2.1.6. Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tranester hóa
• 2.1.6.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ mole
• 2.1.6.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng
• 2.1.6.3. Ảnh hưởng của lượng chất xúc tác
• 2.1.6.4. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng
• 2.1.6.5. Ảnh hưởng của nước và acid béo tự do
• 2.1.6.6. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn
• 2.2. NHIÊN LIỆU SINH HỌC BIODIESEL
• 2.2.1. Nguồn nguyên liệu dùng cho sản xuất biodiesel
• 2.2.2. Thành phần một số acid béo trong nhiên liệu biodiesel
• 2.2.2.1. Acid béo trong mỡ động thực vật
• 2.2.2.2. Acid béo chưa bão hòa
• 2.2.3. Tiêu chuẩn và tính chất lý hóa của biodiesel
• 2.2.3.1. Tiêu chuẩn biodiesel
• 2.2.3.2. Tính chất hóa lý của dầu biodiesel
• 2.2.3.3. Điểm chớp cháy - Chỉ số flash point (oC)
• 2.2.3.4. Độ nhớt động học (mm2/s)
• 2.2.3.5. Hàm lượng tro sunfat - Sulfated ash (% khối lượng)
• 2.2.3.6. Hàm lượng sunfat (% khối lượng)
• 2.2.3.7. Ăn mòn miếng đồng
• 2.2.3.8. Chỉ số cetane
• 2.2.3.9. Chỉ số CP (Cloud Point – oC)
• 2.2.3.10. Chỉ số PP (Pour Point)
• 2.2.3.11. Chỉ số CFPP (Cold Filter Plugging Point)
• 2.2.3.12. Hàm lượng glycerin tự do
• 2.2.3.13. Hàm lượng Photphat (% khối lượng)
• 2.2.3.14. Hàm lượng cồn (% thể tích)
• 2.2.3.15. Hàm lượng canxi và magie (khối lượng)
• 2.2.3.16. Hàm lượng Natri và Kali (% khối lượng)
• 2.2.3.17. Độ ổn định oxi hóa
• 2.2.3.18. Chỉ số acid
• 2.2.3.19. Chỉ số Iodine
• 3. CHƯƠNG 3: ĐIỀU CHẾ VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐIỀU CHẾ DẦU BIODIESEL
• 3.1. Chuẩn bị cho điều chế dầu biodiesel
• 3.1.1. Nguyên liệu dầu hạt cao su
• 3.1.2. Methanol và các hóa chất dùng trong điều chế
• 3.1.3. Dụng cụ điều chế dầu biodiesel
• 3.2. ĐIỀU CHẾ DẦU BIODIESEL
• 3.3. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐIỀU CHẾ DẦU BIODIESEL
• 3.3.1. Hiệu suất chuyển hóa dầu biodiesel
• 3.3.2. Đánh giá kết quả điều chế dầu biodiesel
• 4. CHƯƠNG 4: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA DẦU BIODIESEL LÊN ĐỘNG CƠ
• 4.1. Thiết lập thí nghiệm
• 4.1.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm
• 4.1.2. Động cơ thí nghiệm
• 4.1.3. Thiết bị đo độ mờ khói Opacimeter
• 4.1.4. Máy đo khí thải Heshbon
• 4.1.5. Thiết bị phân tích quá trình cháy AVL (Indiset 620)
• 4.1.6. Một số dụng cụ, thiết bị dùng trong thí nghiệm
• 4.2. QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN THÍ NGHIỆM
• 4.2.1. Chuẩn bị và kiểm tra trước thí nghiệm
• 4.2.2. Thực hiện thí nghiệm
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ BÌNH LUẬN KHI THỬ NGHIỆM DẦU BIODIESEL TRÊN ĐỘNG CƠ
• 5.1. Kết quả và bình luận khi thử nghiệm ở chế độ thay đổi tải BMEP tại tốc độ 1600 rpm
• 5.2. Kết quả và bình luận khi thử nghiệm ở chế độ thay đổi tốc độ tại toàn tải
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

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.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu tiêu thụ năng lượng toàn cầu đang gia tăng mạnh mẽ, trong khi nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt với trữ lượng dầu mỏ ước tính còn khoảng 1.650 tỉ thùng (chỉ đủ khai thác trong khoảng 54 năm) và tổng lượng phát thải khí nhà kính chạm ngưỡng 31,6 gigaton mỗi năm. Trước áp lực biến đổi khí hậu và yêu cầu giảm phát thải khí carbon dioxide, việc tìm kiếm các nguồn năng lượng tái tạo không cạnh tranh với lương thực trở thành nhiệm vụ cấp bách. Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán tận dụng dầu hạt cao su (Hevea brasiliensis) – một nguồn phụ phẩm nông nghiệp dồi dào nhưng chưa được khai thác hiệu quả – để tổng hợp nhiên liệu sinh học biodiesel phục vụ cơ giới hóa nông nghiệp.

Mục tiêu cốt lõi của công trình là xây dựng quy trình công nghệ tổng hợp biodiesel từ dầu hạt cao su bằng phản ứng transester hóa có hỗ trợ của sóng siêu âm, đồng thời khảo sát thực nghiệm mức độ ảnh hưởng của các hỗn hợp phối trộn B5 (5% biodiesel) và B10 (10% biodiesel) lên đặc tính công suất và phát thải khí xả của động cơ diesel nông nghiệp một xy-lanh. Phạm vi nghiên cứu thực địa và thu thập mẫu hạt được tiến hành tại khu vực Tây Nguyên (Gia Lai, Kon Tum) trong giai đoạn từ tháng 11/2013 đến tháng 03/2014, kết hợp thử nghiệm động lực học tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm Động cơ Đốt trong thuộc Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM đến tháng 01/2015.

Ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu được định lượng rõ ràng qua quy mô vùng nguyên liệu cao su tại Việt Nam với diện tích hơn 910.000 ha, mang lại tiềm năng thu gom khoảng 900.000 tấn hạt mỗi năm. Nguồn phụ phẩm này tương đương sản lượng 90.000 tấn dầu thô, có khả năng chuyển hóa thành hơn 60.668.009 kg nhiên liệu sinh học sạch với giá trị kinh tế ước tính 2.700 tỉ đồng, trực tiếp tạo thêm việc làm, tăng thu nhập cho nông hộ và giảm phát thải độc hại khu vực nông thôn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết phản ứng chuyển đổi hóa học Transester hóa (Ester hóa trao đổi) và lý thuyết quá trình cháy trong động cơ đánh lửa do nén (Compression Ignition - CI). Về mặt hóa học, phản ứng transester hóa là quá trình chuyển hóa thuận nghịch ba nấc giữa một phân tử triglyceride với ba phân tử rượu (methanol) dưới sự hiện diện của chất xúc tác axit hoặc bazơ, lần lượt tạo thành diglyceride, monoglyceride và cuối cùng giải phóng glycerol cùng các hợp chất methyl ester của axit béo (FAME).

Về mặt nhiệt động lực học và động lực học dòng chảy, quá trình hòa trộn và tự cháy của nhiên liệu trong buồng đốt động cơ diesel phụ thuộc chặt chẽ vào độ nhớt động học, tỷ trọng, sức căng bề mặt và trị số cetane. Các khái niệm chuyên ngành then chốt được ứng dụng xuyên suốt bao gồm: Nhiên liệu sinh học không ăn được (Non-edible biodiesel), Trị số Cetane (đo lường tính tự kích cháy), Nhiệt trị thấp (LHV), Áp suất có ích trung bình (BMEP), và Hiệu ứng xâm thực sóng siêu âm (Acoustic Cavitation) giúp phá vỡ sức căng liên pha giữa dầu và cồn.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ nguồn hạt cao su thu gom đại diện tại các tỉnh Gia Lai và Kon Tum, sau đó ép cơ học bằng máy ép trục vít để thu hồi dầu thô. Cỡ mẫu nghiên cứu cho mỗi mẻ phản ứng hóa học là 900 g dầu thô, và hệ thống kiểm định động cơ sử dụng 4 nhóm mẫu nhiên liệu chuẩn gồm DO khoáng (diesel thương mại B0), hỗn hợp B5, B10 và biodiesel nguyên chất B100. Phương pháp chọn mẫu phân tầng ngẫu nhiên được áp dụng để đảm bảo tính đại diện cho chất lượng hạt cao su thương phẩm tại khu vực Tây Nguyên.

Quy trình phân tích hóa học sử dụng phương pháp sắc ký khí đầu dò ion hóa ngọn lửa (GC-FID) để định danh thành phần axit béo. Các chỉ tiêu hóa lý được đo kiểm nghiêm ngặt theo hệ thống tiêu chuẩn quốc gia TCVN 7868, Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia QCVN 1:2009/BKHCN và tiêu chuẩn quốc tế ASTM D7467. Thử nghiệm động lực học được tiến hành trên bệ thử động cơ một xy-lanh AVL kết hợp hệ thống phân tích áp suất cháy chỉ thị AVL Indiset 620, thiết bị đo độ mờ khói Opacimeter và máy phân tích thành phần khí xả Heshbon.

Lý do lựa chọn phương pháp transester hóa hai giai đoạn (tiền xử lý axit H2SO4 0,7% kết hợp transester hóa bazơ KOH 1,5% có hỗ trợ sóng siêu âm tần số 20 kHz công suất 1000W) xuất phát từ thực tế dầu hạt cao su thô có chỉ số axit rất cao (74,3 mg KOH/g). Công nghệ siêu âm giúp rút ngắn thời gian phản ứng từ 4 giờ xuống còn 30 - 45 phút, hạn chế tối đa hiện tượng xà phòng hóa và tăng cường khả năng tiếp xúc giữa các pha chất lỏng. Toàn bộ chuỗi thực nghiệm được hoàn thành đồng bộ trong timeline từ tháng 02/2013 đến tháng 01/2015.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích định lượng thành phần hóa học bằng phương pháp GC-FID xác nhận dầu hạt cao su chứa hàm lượng lớn các axit béo chưa bão hòa, trong đó Axit Oleic (C18:1) chiếm tỷ trọng cao nhất đạt 36,12%, tiếp đến là Axit Linoleic (C18:2) chiếm 17,33%, Axit Palmitic (C16:0) chiếm khoảng 10,2% và Axit Stearic (C18:0) chiếm 8,7%. Chỉ số axit ban đầu của dầu thô ở mức 74,3 mg KOH/g, gây trở ngại lớn cho phản ứng kiềm trực tiếp. Sau quy trình tiền xử lý ester hóa 2 giai đoạn bằng xúc tác axit H2SO4, chỉ số axit đã giảm xuống còn 1,32 mg KOH/g (giảm hơn 98,2%), đủ điều kiện kỹ thuật để tiến hành phản ứng transester hóa xúc tác kiềm.

Hiệu suất chuyển hóa dầu hạt cao su thành nhiên liệu biodiesel sạch sau quá trình rửa và loại bỏ nước đạt mức 67,41%, tương ứng với 613 g biodiesel thành phẩm thu được từ 900 g dầu nguyên liệu. Đánh giá chất lượng nhiên liệu cho thấy trị số cetane của mẫu B100 đạt mức 40,0; trong khi mẫu phối trộn B5 đạt trị số 50,0 và B10 đạt 47,0, hoàn toàn vượt ngưỡng yêu cầu tối thiểu (46) quy định tại quy chuẩn QCVN 1:2009/BKHCN dành cho nhiên liệu diesel sinh học thương mại.

Độ nhớt động học ở 40°C của các mẫu nhiên liệu tăng dần theo tỷ lệ pha trộn: dầu diesel khoáng đạt 2,1 mm2/s, hỗn hợp B5 đạt 2,3 mm2/s và B10 đạt 2,6 mm2/s. Tất cả các giá trị này đều nằm trọn vẹn trong khung tiêu chuẩn cho phép từ 1,9 đến 4,5 mm2/s. Thử nghiệm trên động cơ nông nghiệp Kubota RT 125 DI Plus (công suất cực đại 12,5 mã lực) ở chế độ toàn tải và vận tốc cố định 1600 vòng/phút chỉ ra rằng công suất kéo và mô-men xoắn của động cơ khi chạy bằng nhiên liệu B5 và B10 đạt tương đương 98,5% - 99,2% so với khi chạy bằng dầu diesel truyền thống.

Thảo luận kết quả

Mặc dù nhiệt trị thấp của biodiesel nguyên chất (khoảng 39,5 MJ/kg) thấp hơn so với dầu diesel khoáng (45,67 MJ/kg), công suất của động cơ khi sử dụng B5 và B10 không bị suy giảm đáng kể. Nguyên nhân là do phân tử biodiesel chứa sẵn khoảng 10% đến 11% hàm lượng oxy nội tại, giúp quá trình cháy giãn nở diễn ra triệt để hơn ngay trong buồng đốt có đỉnh piston dạng hình học omega. Sự kết hợp giữa khả năng phun sương tơi và lượng oxy bổ sung đã bù đắp phần năng lượng thiếu hụt do chênh lệch nhiệt trị.

Các tập dữ liệu đo đạc thực nghiệm có thể được biểu diễn trực quan và rõ ràng qua hai dạng đồ thị chính: đồ thị đường đặc tính ngoài biểu diễn biến thiên công suất và suất tiêu hao nhiên liệu theo vòng tua máy (từ 1200 đến 2400 vòng/phút), cùng biểu đồ cột so sánh nồng độ phát thải khói và khí xả giữa B0, B5 và B10. Dữ liệu bảng so sánh các chỉ tiêu vật lý chứng minh độ nhớt và tỷ trọng của B5 hoàn toàn tiệm cận với diesel khoáng, giúp hệ thống bơm cao áp và vòi phun 4 lỗ tia của động cơ Kubota hoạt động ổn định mà không xảy ra hiện tượng kẹt kim phun hay đóng cặn buồng đốt.

So sánh với các công bố quốc tế về biodiesel từ dầu Jatropha hay dầu cọ, biodiesel từ dầu hạt cao su trong nghiên cứu này thể hiện khả năng thích ứng cơ học vượt trội trên các dòng máy nông nghiệp cỡ nhỏ. Tỷ lệ phối trộn dưới 10% chứng minh tính khả thi kỹ thuật cao, không đòi hỏi bất kỳ sự can thiệp hay hoán cải kết cấu cơ khí nào trên hệ thống nhiên liệu hiện hữu.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện công nghệ và đưa nhiên liệu biodiesel từ dầu hạt cao su vào ứng dụng thực tiễn rộng rãi, bốn nhóm giải pháp chiến lược được đề xuất như sau:

Thứ nhất, tối ưu hóa công nghệ tinh chế và rửa nhiên liệu biodiesel sau phản ứng. Bộ môn Kỹ thuật Hóa học cần chủ trì phối hợp với các trung tâm phân tích trong giai đoạn 12 tháng tới để nghiên cứu thay thế dung dịch rửa axit photphoric bằng công nghệ nhựa hấp phụ trao đổi ion hoặc chất hấp phụ khô Magnesol. Giải pháp này hướng tới mục tiêu hạ chỉ số axit của mẫu B100 từ mức 21,3 mg KOH/g xuống dưới ngưỡng tiêu chuẩn 0,5 mg KOH/g theo quy chuẩn TCVN 7868, đồng thời triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng tạo bọt nhũ tương làm thất thoát methyl ester.

Thứ hai, quy chuẩn hóa quy trình thu gom và sơ chế bảo quản hạt cao su tại chỗ. Tập đoàn Công nghiệp Cao su Việt Nam cùng các hợp tác xã nông nghiệp tại Tây Nguyên và Đông Nam Bộ cần đầu tư hệ thống máy sấy tầng sôi và kho bảo quản chuyên dụng trong giai đoạn 2026 - 2028. Mục tiêu kiểm soát độ ẩm hạt dưới 0,06% w/w và chỉ số axit béo tự do trong dầu thô dưới 10 mg KOH/g ngay sau thu hoạch, giúp nâng hiệu suất chuyển hóa ester hóa toàn phần lên trên 85%.

Thứ ba, mở rộng thử nghiệm độ bền và độ mài mòn dài hạn trên động cơ cơ giới. Các viện nghiên cứu cơ khí động lực cần phối hợp với các nhà sản xuất máy nông nghiệp triển khai chương trình chạy thử nghiệm độ bền liên tục từ 500 đến 1.000 giờ cho các dòng máy cày, máy gặt đập và máy phát điện sử dụng nhiên liệu B10 và B20. Thời gian thực hiện trong 24 tháng, tập trung đo đạc định kỳ độ mài mòn xéc-măng, mức độ biến chất của dầu bôi trơn động cơ sau mỗi 100 giờ hoạt động.

Thứ tư, ban hành cơ chế hỗ trợ tài chính và phát triển chuỗi cung ứng nhiên liệu sinh học. Bộ Công Thương và Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn cần xây dựng khung chính sách trợ giá thu mua dầu hạt cao su thô ở mức tối thiểu 25.000 - 30.000 đồng/lít và miễn 100% thuế bảo vệ môi trường đối với các dòng nhiên liệu sinh học phối trộn B5 và B10 dùng trong nông nghiệp trước năm 2030.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả thực nghiệm của luận văn mang lại giá trị học thuật và thực tiễn chuyên sâu cho bốn nhóm đối tượng:

Nhóm thứ nhất là các nhà nghiên cứu và kỹ sư chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí - Động lực. Luận văn cung cấp toàn bộ bộ thông số thực nghiệm về quá trình cháy, áp suất chỉ thị và đặc tính phát thải trên động cơ diesel 1 xy-lanh Kubota RT 125 DI Plus, đóng vai trò là tài liệu tham khảo chuẩn xác phục vụ việc xây dựng mô hình mô phỏng nhiệt động lực học buồng đốt.

Nhóm thứ hai là các chuyên gia công nghệ hóa học và kỹ thuật lọc - hóa dầu. Độc giả thuộc nhóm này có thể khai thác chi tiết quy trình công nghệ ester hóa hai giai đoạn kết hợp hệ thống phát sóng siêu âm 20 kHz công suất 1000W để ứng dụng xử lý các nguồn nguyên liệu dầu mỡ phế thải có chỉ số axit vượt ngưỡng 70 mg KOH/g.

Nhóm thứ ba là ban lãnh đạo các doanh nghiệp sản xuất cao su và công ty nông lâm nghiệp. Số liệu tính toán kinh tế trong công trình giúp các nhà quản lý hoạch định phương án tận thu nguồn phụ phẩm hạt cao su với năng suất 900 kg/ha, biến nguồn thải nông nghiệp thành sản phẩm gia tăng có giá trị thương mại hàng trăm tỉ đồng mỗi năm.

Nhóm thứ tư là các cơ quan quản lý nhà nước và nhà hoạch định chính sách năng lượng tái tạo. Dữ liệu thực chứng về mức độ an toàn kỹ thuật của hỗn hợp B5 và B10 là căn cứ khoa học vững chắc để xây dựng các quy chuẩn kỹ thuật và lộ trình bắt buộc pha trộn nhiên liệu sinh học tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao dầu hạt cao su được đánh giá là nguồn nguyên liệu tiềm năng cho biodiesel tại Việt Nam? Dầu hạt cao su thuộc nhóm dầu thực vật không ăn được, giúp tránh xung đột trực tiếp với vấn đề an ninh lương thực quốc gia. Với tổng diện tích cây cao su vượt 910.000 ha phân bố tập trung tại Đông Nam Bộ và Tây Nguyên, sản lượng hạt đạt khoảng 900.000 tấn mỗi năm, cho phép sản xuất hơn 60 triệu kg biodiesel mà không làm phát sinh nhu cầu chuyển đổi đất canh tác lương thực.

Nhiên liệu phối trộn B5 và B10 có làm suy giảm công suất của máy móc nông nghiệp không? Kết quả thử nghiệm thực tế trên động cơ Kubota RT 125 DI Plus công suất 12,5 mã lực cho thấy công suất và mô-men xoắn khi chạy bằng B5 và B10 tương đương 98,5% - 99,2% so với dầu diesel khoáng. Nhờ hàm lượng oxy phân tử sẵn có trong biodiesel giúp nhiên liệu cháy kiệt hơn, hiệu suất làm việc của động cơ ở chế độ toàn tải 1600 vòng/phút hoàn toàn không bị ảnh hưởng tiêu cực.

Sóng siêu âm đóng vai trò kỹ thuật gì trong quá trình tổng hợp biodiesel? Sóng siêu âm tần số 20 kHz tạo ra các bọt khí siêu vi và hiện tượng xâm thực áp suất cao khi vỡ bọt, giúp phá tan bề mặt phân cách giữa pha dầu và pha cồn methanol. Tác động cơ lý này làm tăng diện tích tiếp xúc phản ứng lên gấp nhiều lần, rút ngắn thời gian phản ứng từ 4 giờ xuống còn 30 phút và đẩy hiệu suất chuyển hóa methyl ester đạt 67,41%.

Chỉ số axit rất cao của dầu cao su thô được khắc phục bằng phương pháp nào? Dầu hạt cao su thô có chỉ số axit lên tới 74,3 mg KOH/g, dễ gây đông kết xà phòng nếu dùng kiềm trực tiếp. Nghiên cứu đã áp dụng thành công phương pháp ester hóa sơ bộ 2 giai đoạn bằng xúc tác axit H2SO4 0,7% ở nhiệt độ 60°C, giúp hạ chỉ số axit xuống còn 1,32 mg KOH/g (đạt chuẩn dưới 2 mg KOH/g) trước khi thực hiện transester hóa bằng kiềm KOH.

Người vận hành có cần thay đổi kết cấu động cơ diesel khi chuyển sang dùng B5 hoặc B10 không? Người sử dụng hoàn toàn không cần thay đổi bất kỳ chi tiết kết cấu hay điều chỉnh kim phun của động cơ. Các chỉ số kỹ thuật như độ nhớt động học (2,3 - 2,6 mm2/s) và trị số cetane (47 - 50) của hỗn hợp B5 và B10 hoàn toàn phù hợp với tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 1:2009/BKHCN, đảm bảo độ an toàn cơ học tuyệt đối cho hệ thống cung cấp nhiên liệu.

Kết luận

• Tổng hợp thành công nhiên liệu sinh học biodiesel từ dầu hạt cao su thô có chỉ số axit cao thông qua quy trình ester hóa axit hai giai đoạn kết hợp transester hóa xúc tác kiềm có hỗ trợ sóng siêu âm 20 kHz.
• Hạ thành công chỉ số axit từ 74,3 mg KOH/g xuống 1,32 mg KOH/g, đạt hiệu suất chuyển hóa methyl ester sạch ở mức 67,41% với thể tích thu hồi 613 g thành phẩm trên mỗi mẻ 900 g dầu thô.
• Chứng minh các hỗn hợp phối trộn B5 và B10 hoàn toàn tương thích với tiêu chuẩn nhiên liệu vận hành, duy trì hơn 98% công suất định mức trên động cơ diesel nông nghiệp một xy-lanh 12,5 mã lực ở chế độ 1600 vòng/phút.
• Định hình giải pháp kinh tế tuần hoàn khai phóng tiềm năng từ 900.000 tấn phụ phẩm hạt cao su mỗi năm tại Việt Nam, góp phần giảm thiểu phát thải CO2 và bảo vệ hệ sinh thái nông thôn bền vững.
• Lộ trình 2026 - 2028 hướng tới hoàn thiện công nghệ rửa khô để đưa chỉ số axit B100 về dưới 0,5 mg KOH/g và triển khai thử nghiệm độ bền 1.000 giờ trên diện rộng.

Các viện nghiên cứu, doanh nghiệp hóa dầu và đơn vị nông nghiệp hãy đẩy mạnh hợp tác chuyển giao công nghệ để thương mại hóa nguồn năng lượng sinh học xanh từ cây cao su ngay hôm nay!

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.