Chương 1. Tổng quan về sử dụng nhiên liệu biodiesel và lựa chọn động cơ nghiên cứu. Cơ sở lý thuyết và mô hình toán mô tả ảnh hưởng của nhiên liệu biodiesel đến các thông số công tác chủ yếu của động cơ diesel. Đánh giá các thông số công tác của động cơ diesel khi sử dụng nhiên liệu B10 bằng mô phỏng số.
Nghiên cứu thực nghiệm sử dụng nhiên liệu biodiesel từ mỡ cá da trơn cho động cơ Cummins NTA855 của tàu cá. Kết luận và kiến nghị. NHỮNG HẠN CHẾ CỦA LUẬN ÁN Luận án chưa nghiên cứu đến quy luật cung cấp nhiên liệu, thực nghiệm đo phát thải NOx, bồ hóng và tình trạng kỹ thuật theo thời gian dài sử dụng của động cơ khi dùng nhiên liệu B10 có nguồn gốc từ mỡ cá da trơn. TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIODIESEL VÀ LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ NGHIÊN CỨU 1.
Tổng quan về nhiên liệu sinh học và biodiesel Nhiên liệu sinh học có nguồn gốc từ dầu thực vật và mỡ động vật, có tiềm năng rất lớn khi làm nhiên liệu thay thế nhiên liệu truyền thống. Ngoài chức năng như một phụ gia tăng cường ô xy cho quá trình cháy, giảm phát thải độc hại trong khí xả động cơ như SOx, HC, CO, bồ hóng (Soot), NLSH còn là một nguồn nhiên liệu có thể tái sinh. Bên cạnh đó, một đặc tính thuận lợi của NLSH là dễ pha trộn với nhiên liệu truyền thống mà không yêu cầu cao về thiết bị cũng như năng lực sử dụng. Nhiên liệu sinh học có nhiều loại như xăng sinh học (biogasoline), diesel sinh học (biodiesel), và khí sinh học (biogas) - loại khí được tạo thành do sự phân hủy yếm khí các chất thải nông nghiệp, chăn nuôi và lâm nghiệp.
Trong các dạng trên thì chỉ có biogasoline và biodiesel được quan tâm nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng trong quy mô công nghiệp. Biodiesel là một loại nhiên liệu có tính chất tương đương với nhiên liệu DO nhưng được sản xuất từ dầu thực vật, mỡ động vật hoặc dầu ăn phế thải, trong đó các nguồn nguyên liệu chính để sản xuất được tập trung chủ yếu vào dầu thực vật của những cây có hàm lượng dầu khá lớn như dầu đậu nành (Soybean Oil), dầu cải (Rapeseed Oil) ở Châu Âu; dầu hướng dương (Sunflower Oil) ở Mỹ; dầu dừa (Coconut Oil), dầu cọ (Palm Oil), dầu Jatropha ở Châu Á [1], [2]. Còn đối với mỡ động vật và dầu ăn phế thải có phần hạn chế bởi các sản phẩm này có sản lượng ít hơn và quá trình tổng hợp nguyên liệu phức tạp hơn so với dầu thực vật. Tuy nhiên, có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến việc sản xuất và ứng dụng NLSH, trong đó có biodiesel dùng làm nhiên liệu cho động cơ dieseel như: Địa lý của từng quốc gia - khu vực; khí hậu; nguyên liệu phục vụ nhu cầu thực phẩm cho con người mà Biodiesel được phát triển với những nguyên liệu khác nhau.
Trước những thách thức về vấn đề bảo vệ môi trường và nguồn nhiên liệu dầu mỏ ngày càng cạn kiệt thì việc sản xuất và ứng dụng biodiesel là cấp bách. Theo dự kiến của cơ quan năng lượng quốc tế IEA (International Energy Agency - IEA), xu hướng phát triển năng lượng trên thế giới đến năm 2050 sẽ sử dụng 23% lượng dầu DO, 27% lượng NLSH, còn lại là các loại nhiên liệu khác trong tổng lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ đốt trong (ĐCĐT) [23]. 6 Tại Việt Nam, với lợi thế hơn 3.260 km bờ biển và vùng đồng bằng sông nước Cửu Long (ĐBSMK) là ưu thế vượt trội về sản phẩm dư thừa từ mỡ cá ba sa, mỡ cá tra… gọi chung là mỡ cá da trơn so với một số quốc gia trên thế giới. Đây là nguồn nguyên liệu sản xuất Biodiesel trong nước phong phú và tái tạo, tạo được nhiều lĩnh vực hữu ích khác kèm theo ngay khi đi vào sản xuất, góp phần tích cực vào sự phát triển kinh tế xã hội [48].
Biodiesel là loại năng lượng tái tạo, về phương diện hoá học thì biodiesel là Methyl ester (hay Ethyl ester) của những axit béo trong dầu hay mỡ động thực vật khi được ester hoá bởi các Ancol methanol hoặc Ethanol, trong đó Methanol được sử dụng phổ biến nhất. Phản ứng tổng hợp Methyl ester là dùng các chất Methanol và xúc tác bazơ, quá trình trao đổi ester còn gọi là quá trình rượu hóa, có nghĩa là từ một phân tử triglyxerit trao đổi ester với 3 phân tử rượu mạch thẳng, tách ra Glycerin và tạo ra các Ankyl ester theo phản ứng [15], [42]: R1COOCH 2 CH 2 - OH R1COOR R 2COOCH + 3ROH CH- OH + R 2COOR (1.1) Xúc tác R 2COOCH 2 CH 2 - OH R 3COOR Dầu, mỡ động thực vật Rượu mạch thẳng Glyxerin Biodiesel Thực chất quá trình chuyển hóa này gồm một loạt các phản ứng thuận nghịch nối tiếp nhau. Tức là triglyxerit chuyển hóa từng bước thành diglyxerit, rồi từ diglyxerit chuyển hóa tiếp thành Monoglixerit và cuối cùng là Glycerin: Triglyxerit ROH Diglyxerit R1COOR Diglyxerit ROH Monoglyxerit R 2COOR (1.2) Monoglyxerit ROH Glyxerin R 3COOR Cơ chế của phản ứng trao đổi este sử dụng xúc tác bazơ được mô tả như sau: ROH B RO BH (1.3) Sau đó, gốc RO’ tiếp tục phản ứng với các phân tử triglyxerit tạo thành hợp chất trung gian: 7 R1COOCH 2 R1COOCH 2 R 2COOCH + RO R 2COOCH RO (1.4) H 2C - O - C - R 3 H 2C - O - C - R 3 O- O Hợp chất trung gian này không bền, tiếp tục tạo một Anion và một Alkyl este tương ứng: R1COOCH 2 R1COOCH 2 R 2COOCH RO R 2 COOCH + RCOOR 3 (1.5) H 2C - O - C - R 3 H 2C - O O Cuối cùng là sự hoàn nguyên lại xúc tác theo phương trình: R1COOCH 2 R1COOCH 2 R 2COOCH + BH R 2COOCH + B (1.6) H 2C - O H 2C - OH Xúc tác B lại tiếp tục phản ứng với các diglyxerit và monoglyxerit giống như cơ chế trên, cuối cùng tạo ra các Alkyl este và Glyxerin. Quá trình sản xuất diesel sinh học bắt đầu từ dầu thực vật, mỡ động vật hoặc các chất béo đã qua sử dụng.
Các cấu trúc phân tử phân nhánh lớn của dầu (mỡ) được chuyển sang các cấu trúc phân tử mạch thẳng ngắn hơn gọi là các ester Methyl - hoặc Ethyl giống như các thành phần của dầu diesel truyền thống. Sơ đồ phương pháp ester hoá trình bày trên hình 1. Trong đó, Glycerine được tách ra khỏi ester và sử dụng trong các ngành công nghiệp khác [44]. Sơ đồ ester hóa Biodiesel có tiềm năng lớn để làm nhiên liệu tái tạo trong các động cơ diesel.
Có được điều này chủ yếu là do các đặc tính thuận lợi của Biodiesel về khả năng pha trộn với nhiên liệu DO thông thường và chỉ cần điều chỉnh nhỏ hệ thống nhiên liệu. Trên cơ sở các quá trình chuyển hóa biodiesel, quy trình sản xuất biodiesel từ mỡ cá được xây dựng như sau (hình 1. Quy trình cơ bản sản xuất dầu biodiesel từ mỡ cá 9 Phụ thuộc vào phản ứng chuyển vị ester, thời gian phản ứng và tách lớp có thể phân chia công nghệ sản xuất dầu Biodiesel thành hai loại qui trình sản xuất bao gồm: Quy trình sản xuất gián đoạn (theo chu kỳ) và quy trình liên tục. Trong phạm vị đề tài, NCS tóm lược các quy trình công nghệ sản xuất biodiesel gián đoạn như sau: Quy trình sản xuất gián đoạn: Với lượng nguyên liệu đầu vào cao, phản ứng xảy ra chậm, để đạt hiệu suất phản ứng 100% cần thời gian tương đối dài, năng suất toàn bộ quá trình sẽ giảm.
Quy trình chỉ thích hợp cho sản xuất ở quy mô nhỏ (khoảng 500- 10.000 tấn/năm) như trên hình 1. Quy trình sản xuất gián đoạn biodiesel dùng xúc tác kiềm 1: Thiết bị gia nhiệt mỡ cá sơ bộ; 2: Thiết bị khuấy trộn Methanol và xúc tác; 3: Thiết bị khuấy trộn sơ bộ; 4: Bơm nhập liệu vào thiết bị phản ứng; 5: Thiết bị ngưng tụ hoàn lưu Methanol; 6: Thiết bị phản ứng chính; 7: Thiết bị lắng tách; 8: Thiết bị tách Methanol ra khỏi Glycerine; 9: Thiết bị ngưng tụ thu hồi Methanol; 10: Thiết bị tách nước. Ưu, nhược điểm của công nghệ gián đoạn: - Công nghệ đơn giản, chí phí thấp, có thể sử dụng nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau; 10 - Không thu hồi được xúc tác; - Việc phân tách và tinh chế sản phẩm chính (biodiesel) và phụ (glycerin) gặp nhiều khó khăn, do các sản phẩm bị nhiễm xúc tác, muối, dẫn đến chất lượng sản phẩm không tốt; - Ngoài ra, để sản xuất dạng mẻ khi triển khai ở quy mô lớn sẽ gặp nhiều khó khăn, đặc biệt ở hiệu suất sử dụng thiết bị. Như vậy, từ các phân tích trên có thể phân chia quá trình chuyển hóa biodiesel thành các công đoạn sau (hình 1.
Quá trình chuyển hóa biodiesel Hiện nay trên thế giới, hàng loạt các quốc gia phát triển đang thử nghiệm thành công và ứng dụng dầu biodiesel thay thế một phần cho nguồn năng lượng hóa thạch. Các quốc gia như Mỹ, Hà Lan và một số nước thuộc EU đã triển khai sử dụng nhiên liệu B5, B10 thậm chí đến B20 cho tất cả các loại động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống là dầu DO. Qua thông tin NCS tìm hiểu tại Mỹ, quốc gia đi đầu trong việc bảo 11 vệ môi trường và tìm nguồn nhiên liệu thay thế đã sử dụng dầu B20 cho các phương tiện giao thông đường bộ [14], [49]. Các Hãng chế tạo động cơ diesel thủy nổi tiếng thế giới như Wartsilar, Caterpillar, Mitsubishi.
cũng đã tham gia nghiên cứu thay đổi một số kết cấu của động cơ để có thể sử dụng biodiesel. Một số dòng sản phẩn của Caterpillar hay Wartsilar cũng đã ghi rõ khả năng sử dụng biodiesel trên sản phẩm [18], [26]. Tại các quốc gia đang triển khai sử dụng biodiesel như Mỹ và châu Âu đều có các tiêu chuẩn định giá chất lượng của dầu biodiesel B100 trước khi đưa ra thị trường. Hoa Kỳ đã xây dựng và áp dụng bộ tiêu chuẩn ASTM D6751 và Châu Âu sử dụng bộ tiêu chuẩn EN 14214 (bảng 1.
Sự tiêu chuẩn hoá các yêu cầu về chất lượng nhiên liệu được coi là một bước quan trọng để phát triển ứng dụng iodiesel. Đạo luật về chất lượng biodiesel ở Châu Âu (2003/17/EC) chấp nhận tỷ lệ pha trộn đến 5% cho tất cả các loại động cơ ô tô và các nhà chế tạo hệ thống phun nhiên liệu[18].