Nghiên cứu sử dụng dầu thực vật Việt Nam làm nhiên liệu cho động cơ diesel cỡ nhỏ

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 01/2008 Trường Đại học Nha Trang 51 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG DẦU THỰC VẬT VIỆT NAM LÀM NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ DIESEL CỠ NHỎ ThS. Phùng Minh Lộc, KS. Hồ Đức Tuấn Khoa Kỹ thuật Tàu thuỷ - Trường Đại học Nha Trang Bài báo trình bày việc chọn và xử lý loại dầu thực vật Việt Nam thích hợp làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel cỡ nhỏ. Dẫn liệu khoa học về kết quả chạy thử nghiệm thành công nhiên liệu từ hỗn hợp dầu thực vật + chất pha và gia nhiệt; Xây dựng các đặc tính không tải trên động cơ D12 dùng nhiên liệu thay thế và đối chứng với nhiên liệu diesel truyền thống. Lập qui trình sử dụng nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel cỡ nhỏ bằng dầu thực vật. I. MỞ ĐẦU 1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới 1.1. Nghiên cứu sử dụng dầu thực vật tinh khiết Dầu thực vật tinh khiết (PVO) là dầu được lấy ra từ quá trình chiết xuất dầu thực vật từ các hạt có dầu. Quá trình này giống như quá trình sản xuất dầu thực vật trong ngành công nghiệp thực phẩm đã có công nghệ tốt. Dầu thực vật tinh khiết có thể được sử dụng trực tiếp trong các động cơ đã được cải tiến mà không cần sử dụng phụ gia hoặc thay đổi cấu trúc. Các cây có dầu để sản xuất dầu thực vật tinh khiết sử dụng trong các động cơ diesel là hạt cải dầu, hoa hướng dương, đậu tương, cọ, dừa, lạc, jatropha . Từ những năm 1970 nhiều công trình nghiên cứu đã được thực hiện về cải tiến động cơ diesel để làm cho chúng hoạt động phù hợp với dầu thực vật không chế biến hay dầu thực vật tinh khiết. Việc giới thiệu động cơ "Elsbett" - là động cơ ô tô diesel đầu tiên trên thế giới phun trực tiếp, công ty Elsbett của Đức đã đi tiên phong về công nghệ PVO trong những năm 1970. Cho đến nay, động cơ trên một nghìn phương tiện đã được Công ty chuyển đổi, bao gồm ô tô, xe tải công suất lớn, xe buýt, thuyền và các máy phát [6]. 1.2. Nghiên cứu sử dụng dầu diesel sinh học (Biodiesel) Nhiên liệu có tiềm năng lớn nhất sẽ được sử dụng làm nhiên liệu tái tạo trong các động cơ diesel là dầu diesel sinh học. Công nghệ sản suất bắt đầu từ các cây có dầu, hiện nay đang được sử dụng rộng rãi ở châu Âu. Điều này thực hiện được chủ yếu do các đặc tính thuận lợi của dầu diesel sinh học về khả năng pha trộn với nhiên liệu diesel truyền thống và chỉ cần điều chỉnh nhỏ hệ thống nhiên liệu động cơ . a. S
n xut nhiên liu sinh hc t du thc vt tinh khi t Quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học bắt đầu từ dầu thực vật tinh khiết (Hình 1). Các cấu trúc mol phân nhánh lớn của dầu thực vật được chuyển sang các cấu trúc mol hình chuỗi thẳng nhỏ hơn gọi là các este methyl- hoặc ethyl giống như các thành phần của dầu diesel sản xuất từ dầu mỏ. Quá trình biến đổi este hoá này cần có cồn (thường là mêtanol hoặc êtanol) để loại bỏ glycerol ra khỏi dầu thực vật. . VẤN ĐỀ TRAO ĐỔI Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 01/2008 Trường Đại học Nha Trang 52 Hình 1. Sơ đồ phản ứng biến đổi este hoá của triglycerides với mêtanol b. S
n xut du diesel sinh hc t các cht béo đã qua s dng Con đường biến đổi đối với dầu diesel sinh học sản xuất từ các chất béo đã qua sử dụng tương tự như sản xuất dầu diesel sinh học từ dầu thực vật tinh khiết. Tuy nhiên, trước khi biến đổi este hoá xảy ra, các chất béo đã qua sử dụng phải được lọc . Mẻ nhiên liệu RME- dầu hạt cải methyl ester, được sản xuất đầu tiên vào năm 1988. Đến 1991 tiêu chuẩn đầu tiên về nhiên liệu diesel sinh học được ban hành ở Áo đối với RME. Năm 1997, tiếp theo tiêu chuẩn này, tiêu chuẩn cho FAME (Axít béo Methyl Ester) đã ra đời. Các tiêu chuẩn quốc gia đã được lập ở Đức, SNG, Pháp, Ý, Thụy Điển và Hoa Kỳ. Vào năm 2003, tiêu chuẩn CEN đã được chấp nhận đối với dầu diesel sinh học hoặc FAME và tiêu chuẩn này đến nay đã có hiệu lực trong nhiều nước thành viên của cộng đồng châu Âu. Ưu điểm chính của dầu diesel sinh học là nó có thể sử dụng trong các động cơ diesel bình thường mà không cần cải tạo lớn. Diesel sinh học hoà trộn tốt với nhiên liệu diesel và sự trộn này giữ được lâu. Các hỗn hợp có hàm lượng diesel sinh học dưới 20% có thể dùng thay thế trực tiếp nhiên liệu diesel trong hầu hết các động cơ mà không cần điều chỉnh động cơ hoặc hệ thống nhiên liệu [6]. Tuy nhiên, vì một số vấn đề về sự không tương thích của vật liệu, nhiều nhà chế tạo của châu Âu đã đặt giới hạn pha trộn phải được chú ý nếu muốn có bảo hành về xe và động cơ. Kết quả là, tỷ lệ pha trộn đến 5% đã được phép theo một đạo luật về chất lượng nhiên liệu ở châu Âu (2003/17/EC) và được chấp nhận cho tất cả các loại ô tô, động cơ và các nhà chế tạo hệ thống bơm phun nhiên liệu. 1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước Đi sau các nước trong việc phát triển nhiên liêu sạch nhưng Việt Nam cũng đã đạt được những thành tựu bước đầu trong việc nghiên cứu chế biến dầu thực vật, mỡ động vật thành diesel sinh học. Chúng ta đã nghiên cứu chiết xuất thành công dầu diesel từ dầu mè, dầu hạt cao su, dầu ăn phế thải, từ mỡ cá basa, cá tra, nó đã mở ra một hướng mới cho việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế. Đó là công trình nghiên cứu của Phân viện khoa học vật liệu Thành phố Hồ Chí Minh, Trung tâm Hoá dầu Đại học Bách khoa (TP.HCM)...Tuy nhiên, đa số sản phẩm đều trong quá trình thử nghiệm, các thông số nhiệt động chưa được công bố, sản lượng không đáng kể. Tới thời điểm này chưa có công trình nào nghiên cứu toàn diện về sử dụng dầu thực vật Việt Nam làm nhiên liệu cho động cơ diesel. Vì vậy, đề tài của chúng tôi mong muốn đóng góp một phần nhỏ vào hướng nghiên cứu mang tính thời sự: Sử dụng nhiên liệu “sạch” cho động cơ đốt trong. Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 01/2008 Trường Đại học Nha Trang 53 II. ĐỐI TƯỢNG, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Nhiên liệu, vật liệu và thiết bị 1.1. Dầu thực vật Việt Nam và các dung môi Dầu thực vật Việt Nam được chế biến từ các nguyên liệu có nguồn gốc thực vật gồm: Đậu nành, đậu tương, lạc, vừng, dừa, cám gạotrong đó phổ biến nhất là dầu dừa: 39.320 tấn, đậu nành 29.170 tấn và lạc 17.800 tấn- số liệu năm 2005 [3]. Thành phần chủ yếu của các lọai dầu này là Ester của axit béo và glycêrin. Đặc điểm của dầu thực vật nguyên chất là có độ nhớt cao, tan tốt trong các dung môi hữu cơ không phân cực như Ete, Ester, acêton Bảng 1. So sánh thông số nhiệt động của dầu thực vật Việt Nam [2] Loại dầu Khối lượng riêng (g/cm3) Độ nhớt ở 200C (Cst) Chỉ số Cêtan (CN) Điểm đục (0C) Điểm chớp lửa (0C) Nhiệt trị (Mj/kg)/Kcal/kg) Lạc 0.914 85 39-41 9 258 39,33/9410 Dừa 0.915 30-37 40-42 20-28 110 37,10/8875 Nành 0.920 58-63 36-38 -4 330 37,30/8925 Diesel 0.836 3-6 45-50 -2 60 43,80/10478 1.2. Thiết bị (hình 2): Động cơ D12 (12 Hp; 2.000 Rpm); Hệ thống van, ống, lọc và thiết bị sấy dầu cùng các bộ chỉ báo. Hình 2. Thiết bị nghiên cứu 2. Phương pháp nghiên cứu: Thực nghiệm 2.1. Phương pháp xử lý dầu thực vật làm nhiên liệu cho động cơ diesel. Muốn sử dụng dầu thực vật làm nhiên liệu cần áp dụng những phương pháp xử lý dầu để tính chất của nó gần giống với nhiên liệu diesel . Bảng 1 cho thấy: dầu dừa có độ nhớt, điểm chớp lửa thấp nhất, chỉ số cêtan cao nhất. Đây là lợi điểm đáng kể khi sử dụng làm nhiên liệu thay thế, hơn nữa sản lượng dầu dừa đứng đầu trong 3 loại dầu thực vật phổ biến ở Việt Nam. Dựa vào các luận cứ trên chúng tôi quyết định chọn dầu dừa dùng làm nhiên liệu cho động cơ diesel. Để sử dụng dầu dừa làm nhiên liệu, cần áp dụng những phương pháp xử lý dầu để tính Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 01/2008 Trường Đại học Nha Trang 54 chất của nó gần giống với nhiên liệu diesel truyền thống, đặc biệt là độ nhớt và khả năng tự bốc cháy (chỉ số cêtan). Tuy nhiên, theo tiêu chuẩn của Petrolimex, chỉ số cetan của dầu diesel CNmin = 45, theo ASTM CNmin = 40, thì việc cải thiện khả năng tự bốc cháy của dầu dừa(CN = 40-42) trở thành thứ yếu. Vấn đề trọng tâm là xử lý giảm độ nhớt. Để giảm độ nhớt của dầu thực vật ta có thể sử dụng các biện pháp xử lý sau: • Phương pháp sấy nóng • Phương pháp pha loãng • Phương pháp craking • Phương pháp nhũ tương hoá • Phương pháp ester hóa Chủ yếu là: a. Điu ch thành Biodiesel (hình1) Bảng 3. Các thông số hóa lý của Biodiesel dầu dừa [6]: Chỉ tiêu kỹ thuật Giá trị Khối lượng riêng (200C): 0.886 g/cm3 Độ nhớt (200C) 5.3 cSt Chỉ số Cetan 43 Điểm đục - 20C Điểm chớp lửa 930C Nhiệt trị 37.830 kJ/kg Hiện tại giá thành thiết bị và công nghệ còn quá cao: Khoảng 30.000 Euro cho thiết bị có công suất 50 lít/giờ. b. Pha dung môi vào du da và gia nhit Chúng tôi chọn giải pháp pha dung môi êtanol (TCVN 5689- 1997), dầu hoả (TCVN 6204 – 1997) vào dầu dừa và gia nhiệt hỗn hợp đến khoảng độ nhớt tương đương với dầu diesel. Lý do chọn êtanol và dầu hoả là: Thứ nhất chúng cũng là nhiên liệu; Thứ hai, có độ nhớt thấp, độ nhớt của hỗn hợp sẽ giảm khi tăng tỉ lệ pha vào dầu thực vật; Thứ ba, có giá thành chấp nhận được: (7.000 - 8.500đ). Kết quả cho ở bảng 5. Hỗn hợp có thể làm nhiên liệu để chạy thử nghiệm khi pha 15% dung môi (có nhiệt trị kèm theo) và gia nhiệt từ (60- 70oC). Bảng 4. Thông số độ nhớt của hỗn hợp nhiên liệu dầu dừa + 15% dầu hỏa, dầu dừa + 15% etanol Chỉ số độ nhớt , (oE) Nhiệt độ, (oC) Dầu dừa + 15% Dầu hỏa Dầu dừa + 15% Êtanol 100% Dầu dừa Dầu Diesel 30 2,73 2,97 4,95 40 2,27 2,07 3,98 50 2,01 1,67 3,31 60 1,72 1,55 2,20 70 1,58 1,41 2,16 1,2-1,67 TCVN * Nhiệt trị hỗn hợp dầu dừa + 15% Dầu hoả: 38.520 kJ/kg * Nhiệt trị hỗn hợp dầu dừa + 15% Êtanol: 36.260 kJ/kg * Nhiệt trị Biodiesel từ dầu ăn phế thải: 39.730 kJ/kg Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 01/2008 Trường Đại học Nha Trang 55 2.3. Thu nhận và xử lý số liệu Tiến hành chạy thử nghiệm và lấy đặc tính không tải: Ge= f(n)- n: tốc độ động cơ Cho động cơ khởi động bằng nhiên liệu Diesel. Khi nước làm mát 700C, nhiệt độ hỗn hợp đạt 600C với êtanol và 700C với dầu hoả, tiến hành đo. • Điều khiển cho động cơ chạy ở các tốc độ: n = 800, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000 (vòng/phút) • Với mức độ giảm của nhiên liệu 50 ml trong thời gian t phút thì ta tính được lượng nhiên liệu giờ theo công thức : Ge = t 3 , (l/h) Trong đó: t - Thời gian chạy hết 50 ml nhiên liệu Ở mỗi mức tốc độ thực nghiệm đo 4 lần (r = 4, độ tin cậy 95%), lấy kết quả giá trị trung bình. Từ bảng số liệu giá trị thực nghiệm, ứng dụng phần mềm SPSS 15.0 for Windows [5], xây dựng hàm hồi qui (bảng 6). Số liệu tính từ các phương trình hồi qui cho phép vẽ tự động đồ thị đặc tính không tải của động cơ D12 khi sử dụng nhiên liệu là dầu diesel, bio-diesel và các hỗn hợp nhiên liệu dầu dừa + 15% êtanol, dầu dừa +15% dầu hỏa ở nhiệt độ gia nhiệt hỗn hợp 600C, 700C . III- KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 1. Kết quả nghiên cứu Đồ thị đặc tính không tải thu được thể hiện trên hình 3. Hình 3. Đồ thị đặc tính không tải 2. Thảo luận Kết quả thực nghiệm (hình 3) cho thấy, tiêu hao nhiên liệu giờ của hỗn hợp dầu dừa + 15% êtanol cao hơn của hỗn hợp dầu dừa +15% dầu hỏa khoảng (12 -15)%. Nguyên nhân chính là do chênh lệch nhiệt trị, ngoài ra hỗn hợp với êtanol không đồng nhất dẫn đến chất lượng hỗn hợp cháy xấu, hiệu suất nhiệt thấp hơn. Với điều kiện nước ta hiện nay, chọn giải pháp pha dầu thực vật bằng dung môi và gia nhiệt là khả thi hơn cả trong việc thay thế nhiên liệu cho động cơ diesel cỡ nhỏ. Nó phù hợp với trình độ của đa số người dân thuộc lĩnh vực Nông- Lâm- Ngư, giá thành chuyển đổi thấp, có thể áp dụng dễ dàng ở mọi địa bàn. Vấn đề đáng lưu tâm là nguồn nguyên liệu để chiết xuất dầu thực vật, các cây có dầu thường có vòng sinh trưởng dài, năng suất không cao. n [v/ph] Ge[l/h] 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Diesel 15%E 15%DH Biodiesel Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 01/2008 Trường Đại học Nha Trang 56 IV. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 1. Kết luận - Việc sử dụng dầu thực vật nguyên chất làm nhiên liệu cho động cơ diesel cần phải thay đổi một số kết cấu của động cơ, không khả thi ở điều kiện Việt nam. - Dầu thực vật sau khi điều chế thành Biodiessel có những tính chất gần giống với dầu diesel nhưng giá thành thiết bị quá cao. - Pha dầu thực vật bằng dung môi dễ kiếm, giá thành hạ và gia nhiệt - cụ thể là hỗn hợp với dầu hoả có độ ổn định cao, chi phí nhiên liệu thấp, có thể làm nhiên liệu cho động cơ diesel. 2. Khuyến nghị - Khảo sát thêm các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường, tuổi bền khi sử dụng nhiên liệu thay thế nêu trên cho các họ động cơ thường gặp (đặc biệt là những khu vực có ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường sinh thái). - Nhà nước nên có chính sách thoả đáng để tạo nguồn, tăng mạnh trữ lượng dầu từ thực vật có vòng sinh trưởng ngắn, năng suất cao đồng thời với tổng hợp, chiết suất từ nguồn sinh khối vốn có gần như vô tận ở xứ sở nhiệt đới như Việt Nam. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. PGS.TS. Nguyễn Văn Nhận (2002), Bài giảng: Nhiên liệu và chất bôi trơn, Lưu hành nội bộ - Trường Đại học Nha Trang 2. KS. Hồng Đức Thông (2004), Nghiên cứu khả năng ứng dụng nhiên liệu và năng lượng mới trên ô tô Việt Nam, Trường Đại học Bách khoa, Tp. HCM. 3. Chiến lược, Quy hoạch, Kế hoạch CN (2004), Qui hoạch phát triển dầu thực vật Việt Nam đến năm 2010, 4. PGS.TS Bùi Minh Trí (2005), Xác suất thống kê và qui hoạch thực nghiệm, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội . 5. Hoàng Trọng – Chu Nguyễn Mộng Ngọc (2005), Phân tích dữ liệu nghiên cứu với SPSS, NXB Thống kê. 6. Tobias Denys, Luc Pelkmans (2006), Study of Biofuels in South East Asia overview of world-wide technological evolutions, Asia Pro Eco Programme Clean Technologies for Industries and Transport (CTIT)-Contract ID/Asia Pro Eco/01 (104-129), Ha Noi ABSTRACT EXPERIMENT RESEARCH OF USING VEGETABLE OIL FOR DIESEL ENGINE The paper introduces the choosing a suitable Vietnames vegetable oil making substitute fuel for small diesels . Scientific datum of using assays fuel compounded of additive and heating up. Building no-load perfomances of D12 engine using substitute fuel against diesel oil fuel. Establish using process of diesel engine using substitute fuel.