CHƯƠNG I TỔNG QUAN LÝ THUYẾT I.1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ NHIÊN LIỆU KHOÁNG VÀ NHIÊN LIỆU DIESEL Hiện nay sự phát triển kinh tế và khoa học kỹ thuật càng ngày càng được phát triển và hoàn thiện. Để đáp ứng sự phát triển của nền kinh tế và khoa học kỹ thuật thì ngành năng lượng phải được phát triển cả về số lượng và chất lượng, vì năng lượng được ví là đầu tàu để thúc đẩy sự phát triển kinh tế của một quốc gia, an ninh năng lượng gắn liền với an ninh kinh tế và an ninh quốc gia. Các nguồn năng lượng đang được sử dụng hiện nay trên thế giới chủ yếu là nguồn năng lượng hóa thạch như: than, dầu mỏ và nguồn năng lượng thủy điện hạt nhân. Trong đó nguồn năng lượng dầu mỏ quan trọng nhất chiếm 65 % năng lượng sử dụng trên thế giới, trong khi đó than đá chiếm 20-22 %, năng lượng nước 5-6 %.
Ta thấy rằng dạng năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt. Theo như dự báo của tập đoàn BP thì trữ lượng dầu mỏ đã thăm dò trên toàn cầu là 150 tỷ tấn. Năm 2003 lượng dầu mỏ tiêu thụ trên toàn thế giới là 3,6 tỷ tấn. Do vậy, nếu như không phát hiện ra mỏ dầu nào trên toàn thế giới thì nguồn dầu mỏ này sẽ bị cạn kiệt trong vòng 41 năm.
Sự bùng nổ dân số và sự phát triển liên tục của các phương tiện giao thông sẽ làm tăng lượng dầu mỏ tiêu thụ. Mặt khác nguồn dầu mỏ tập trung tại những khu vực có nền kinh tế, chính trị bất ổn như Trung Đông (2/3 trữ lượng dầu mỏ của thế giới ), Trung Á, Trung Phi, Venezuela. Vì thế, mỗi khi có khủng hoảng về dầu mỏ sẽ gây ảnh hưởng không nhỏ đến những nước này, đồng thời gây khủng hoảng trầm trọng đặc biệt là các nước nghèo, các nước không có nguồn tài nguyên dầu mỏ. Các khảo sát của các tổ chức quốc tế cho thấy tốc độ phát triển công nghiệp toàn cầu đang suy giảm do giá dầu tăng như ở Mỹ, EU và các nước châu Á.
Trong bối cảnh nền kinh tế nước ta đang toàn cầu hóa, mỗi một biến động trên thế giới đều ảnh hưởng tới các quốc gia, trong đó có Việt Nam, trong hai năm trở lại đây thị trường xăng dầu luôn biến động, tăng giá liên tục đã ảnh hưởng không nhỏ tới nền kinh tế nước ta. Nguyên nhân là do sự biến động về chính trị, nhu cầu sử dụng và đặc biệt là theo dự đoán của các nhà khoa học, trữ lượng của các loại nhiên liệu hóa thạch Chuyên ngành hóa dầu 1 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp Đại học- Khóa 2008- 2012 Trường ĐHBRVT trên thế giới đang dần cạn kiệt dần trong vòng 50 năm tới. Do đó, việc tìm kiếm những nguồn nguyên liệu thay thế là một nhu cầu cấp thiết.1 Động cơ diesel và nhiên liệu diesel I.1 Động cơ diesel: Động cơ diesel ra đời sau động cơ xăng nhưng nó đang được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, đầu máy xe lửa, máy nông nghiệp.Hiện nay trên thế giới đang có xu hướng diesel động cơ do đó có ưu điểm là tỷ số nén cao hơn so với động cơ diesel (tỷ số nén là tỷ số giữa thể tích của xy lanh khi pistong nằm ở vị trí điểm chết dưới và điểm chết trên so với phần thể tích chết ở phần trên). Với động cơ xăng thì tỷ lệ đó là từ 7/1 đến 11/1, còn động cơ diesel là từ 14/1 đến 17/1; vì vậy động cơ diesel có công suất lớn hơn động cơ xăng trong khi tiêu hao cùng một lượng nhiên liệu.
Bên cạnh đó, nhiên liệu diesel rẻ hơn so với xăng do không phải qua các quá trình chế biến, khí thải của động cơ diesel không độc hại bằng khí thải của động cơ xăng, do nhiên liệu DO không cần có phụ gia. Vì các lý do trên, động cơ diesel và nhiên liệu DO ngày càng phát triển và có ứng dụng rộng rãi. Động cơ diesel cũng làm việc theo nguyên tắc 4 kỳ như động cơ xăng, nhưng khác động cơ xăng ở chỗ: trong động cơ xăng thì hỗn hợp nhiên liệu và không khí được bốc cháy sau khi nến điện điểm lửa; còn ở động cơ diesel, hỗn hợp nhiên liệu được đưa vào xy lanh, ở đó không khí đã được nén trước và đã có nhiệt độ cao, nhiên liệu sẽ tự bốc cháy.2 Nhiên liệu diesel truyền thống Động cơ diesel muốn làm việc ổn định đòi hỏi nhiên liệu diesel phải đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng sau: + Phải có tính tự cháy phù hợp: tính chất này được đánh giá qua trị số xetan. Để đặc trưng cho khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu diesel, người ta sử dụng trị số xetan.
Trị số xetan là đơn vị đo quy ước, đặc trưng cho khả năng tự bắt lửa của nhiên liệu diesel, là một số nguyên, có giá trị đúng bằng giá trị của hỗn hợp chuẩn có cùng khả năng tự bắt cháy. Hỗn hợp chuẩn này gồm hai hydrocarbon: n-xetan (C16H34) quy định là 100, có khả năng tự bắt cháy tốt và -metyl naphtalen (C11H10) quy định là 0, khả năng tự bốc cháy kém. Trị số xetan được xác định theo tiêu chuẩn ASTM-D 613. Trị số xetan cao quá hoặc thấp quá đều gây nên những vấn đề không tốt cho động cơ.
Chuyên ngành hóa dầu 2 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp Đại học- Khóa 2008- 2012 Trường ĐHBRVT + Tính lưu biến tốt: để đảm bảo khả năng cấp liệu liên tục. Yêu cầu này được đánh giá bằng nhiệt độ đông đặc, nhiệt độ vẫn đục, tạp chất cơ học, hàm lượng nước, nhựa. - Điểm đông đặc: là nhiệt độ thấp nhất mà nhiên liệu vẫn giữ được tính chất của chất lỏng. Điểm đông đặc được xác định theo phương pháp ASTM- D 97.
- Nước và tạp chất cơ học: đây là một trong những chỉ tiêu quan trọng của nhiên liệu diesel. Nước và cặn có ảnh hưởng đến chất lượng, tồn chứa và sử dụng. Nước và tạp chất trong diesel được xác định theo phương pháp ASTM- D 1796 - Điểm sương: đây là một chỉ tiêu quan trọng, nó xác định nhiệt độ tại đó các tinh thể sáp xuất hiện trong nhiên liệu ở điều kiện thử nghiệm xác định. Điểm sương được xác định theo phương pháp ASTM- D 2500 - Hàm lượng nhựa thực tế: sau khi ra khỏi nhà máy lọc dầu, nhiên liệu không tránh khỏi việc tiếp xúc với nước và không khí có thể tạo nhựa và cặn bẩn làm tắc bầu lọc, bẩn buồng đốt, tắc hệ thống phun nhiên liệu.
Vì vậy hàm lượng nhựa thực tế phải được quy định dưới mức giới hạn cho phép và nó được xác định theo phương pháp ASTM- D 381. + Ít ăn mòn, có khả năng bảo vệ: được đánh giá qua chỉ số axit, hàm lượng lưu huỳnh, độ ăn mòn lá đồng, hàm lượng mercaptan. - Trị số axit: là thức đo đánh giá hàm lượng các chất vô cơ và axit tổng của nhiên liệu. Nó giúp đánh giá mức độ ăn mòn của các chi tiết kim loại khi tiếp xúc với nhiên liệu.
+ An toàn về cháy nổ và không gây ô nhiễm môi trường: được đánh giá qua nhiệt độ chớp cháy - Nhiệt độ chớp cháy là nhiệt độ thấp nhất (ở điều kiện áp suất không khí) mẫu nhiên liệu thử nghiệm hầu như bắt cháy khi ngọn lửa xuất hiện và tự lan truyền một cách nhanh chóng trên bề mặt mẫu. Nhiệt độ chớp cháy cốc kín được xác định theo phương pháp ASTM- D 93 + Ít tạo cặn: phụ thuộc thành phần phân đoạn, đánh giá qua độ axit, lưu huỳnh, độ ăn mòn lá đồng, mercaptan - Hàm lượng lưu huỳnh: lưu huỳnh trong diesel tồn tại ở nhiều dạng khác nhau như: mercaptan, sulfat, thiophen. Các hợp chất lưu huỳnh trong diesel đều là thành phần có hại. Hàm lượng lưu huỳnh càng thấp càng tốt.
Hàm lượng lưu huỳnh có thể được xác định theo phương pháp ASTM- D 129. Chuyên ngành hóa dầu 3 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp Đại học- Khóa 2008- 2012 Trường ĐHBRVT - Độ ăn mòn lá đồng: có tính chất định tính độ ăn mòn của nhiên liệu diesel đối với các chi tiết chế tạo tự động và được xác định theo phương pháp ASTM- D 130 - Hàm lượng tro: là lượng tro còn lại sau khi đốt cháy diesel đến cháy hết, được tính bằng % khối lượng của lượng tro so với mẫu ban đầu. Hàm lượng tro được xác định theo phương pháp ASTM- D 482. + Khả năng tạo hỗn hợp cháy tốt: bay hơi tốt và phun trộn tốt được đánh giá qua thành phần phân đoạn, độ nhớt, tỷ trọng, sức căng bề mặt.
- Độ nhớt động học: độ nhớt rất quan trọng đối với nhiên liệu diesel vì nó ảnh hưởng đến khả năng bơm và phun trộn nhiên liệu vào buồng đốt. Độ nhớt của nhiên liệu có ảnh hưởng lớn đến kích thước và hình dạng của kim phun. Độ nhớt động học được xác định theo tiêu chuẩn ASTM- D 445 - Thành phần chưng cất phân đoạn: có ảnh hưởng rất lớn đối với tính năng của động cơ diesel, đặc biệt là các động cơ trung bình và tốc độ cao, chúng có ảnh hưởng đến tính an toàn. Thành phần cất được xác định theo tiêu chuẩn ASTM- D 86 - Nhiệt độ sôi 10% đặc trưng cho phần nhẹ dễ bốc hơi của nhiên liệu.
Nhiệt độ sôi này quá cao sẽ gây hiện tượng động cơ khó khởi động. - Nhiệt độ sôi 50% là chỉ tiêu hay dùng nhất để đánh giá nhiên liệu diesel, đặc trưng cho khả năng thay đổi tốc độ của động cơ. - Nhiệt độ sôi 90% và nhiệt độ sôi cuối đặc trưng cho khả năng cháy hoàn toàn của nhiên liệu. Để đảm bảo động cơ hoạt động có hiệu quả thì nhiên liệu diesel phải có các tính chất phù hợp.
Vì vậy chất lượng diesel là rất quan trọng cần quy định cụ thể thành tiêu chuẩn và theo từng chỉ tiêu chất lượng sao cho phù hợp với yêu cầu của động cơ. Các chỉ tiêu chất lượng quan trọng để đánh giá chất lượng của nhiên liệu diesel: trị số xetan, thành phần cất phân đoạn, nhiệt độ bốc cháy, hàm lượng lưu huỳnh, hàm lượng tro, hàm lượng nhựa và nước, tỷ trọng, nhiệt trị, trị số axit.2 Vấn đề ô nhiễm môi trường do diesel khoáng tạo ra Nhiên liệu diesel chủ yếu lấy từ hai nguồn chính đó là quá trình chưng cất trực tiếp dầu mỏ (có khoảng nhiệt độ sôi 250- 3500C, chứa các hydrocarbon có số cacbon từ C16 đến C20, C21) và là sản phẩm phụ của quá trình bẻ gãy mạch cacbon dưới tác dụng của nhiệt độ có sự tham gia của xúc tác.