Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu sinh học trong hỗn hợp dieselethanol-biodiesel tới tính năng kỹ thuật và phát thải động cơ diesel

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:154

Thêm vào BST

Báo xấu

27
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài nghiên cứu nhằm đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel tới tính năng kinh tế,kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel, làm cơ sở tăng lượng tiêu thụ ethanol; lựa chọn được tỷ lệ hợp lý để tạo hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel dùng làm nhiên liệu cho động cơ diesel.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu sinh học trong hỗn hợp dieselethanol-biodiesel tới tính năng kỹ thuật và phát thải động cơ diesel

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do tôi thực hiện. Luận án có sử dụng một phần kết quả do tôi và nhóm nghiên cứu thực hiện trong đề tài cấp cơ sở “Nghiên cứu tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol và diesel-ethanol-biodiesel”, mã số T2018-PC-041 do PGS.TS Phạm Hữu Tuyến là chủ nhiệm đề tài. Tôi đã đƣợc chủ nhiệm đề tài đồng ý cho sử dụng một phần kết quả nghiên cứu của đề tài cấp cơ sở vào việc viết luận án. Tôi xin cam đoan các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong các công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Tập thể giáo viên hƣớng dẫn Nghiên cứu sinh GS.TS Phạm Minh Tuấn PGS.TS Phạm Hữu Tuyến Nguyễn Văn Nhỉnh i
LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Cơ khí Động lực, Bộ môn Động cơ đốt trong, Trung tâm nghiên cứu động cơ, nhiên liệu và khí thải đã cho phép và giúp đỡ tôi thực hiện luận án trong thời gian học tập, nghiên cứu tại Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Phạm Minh Tuấn và PGS.TS Phạm Hữu Tuyến đã chu đáo, tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ tôi thực hiện và hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phạm Hữu Tuyến là chủ nhiệm đề tài cấp cơ sở mã số T2018-PC-041 đã đồng ý cho sử dụng một phần kết quả nghiên cứu của đề tài vào việc viết luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Hƣng Yên, Khoa Cơ khí Động lực cùng các thầy cô trong khoa đã ủng hộ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các Giáo sƣ, Phó Giáo sƣ, Tiến sĩ và các nhà khoa học đã dành thời gian quý báu để đọc và góp ý giúp tôi hoàn thiện luận án. Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những ngƣời đã luôn động viên khuyến khích trong suốt thời gian tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình này. Nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Nhỉnh ii
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ.............................................................. vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.............................................................................. ix DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................... xi MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 i. Sự cần thiết của đề tài ............................................................................................ 1 ii. Mục đích nghiên cứu .............................................................................................. 2 iii.Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................... 2 iv. Phƣơng pháp nghiên cứu........................................................................................ 2 v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn................................................................................ 3 vi. Tính mới của đề tài................................................................................................. 3 vii. Bố cục của luận án ............................................................................................. 3 1.1. Khái quát chung về nhiên liệu sinh học ............................................................. 4 1.2. Nhiên liệu ethanol và biodiesel .......................................................................... 4 1.2.1. Nhiên liệu ethanol ............................................................................................ 4 1.2.2. Nhiên liệu biodiesel .......................................................................................... 8 1.3. Tình hình sản xuất ethanol và biodiesel ............................................................ 12 1.3.1. Trên thế giới ................................................................................................... 12 1.3.2. Tại Việt Nam .................................................................................................. 13 1.4. Các kết quả nghiên cứu sử dụng ethanol và biodiesel làm nhiên liệu cho động cơ diesel .................................................................................................................... 15 1.4.1. Nghiên cứu ngoài nƣớc .................................................................................. 15 1.4.2. Nghiên cứu trong nƣớc ................................................................................... 24 1.5. Hƣớng tiếp cận của luận án ............................................................................... 27 1.6. Kết luận chƣơng 1 ............................................................................................. 27 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TÍNH NĂNG KỸ THUẬT VÀ PHÁT THẢI ĐỘNG CƠ KHI SỬ DỤNG HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DIESEL- ETHANOL-BIODIESEL ......................................................................................... 29 2.1. Tính chất hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel...................................... 29 2.1.1. Tính chất hỗn hợp diesel-ethanol .................................................................. 29 2.1.2. Tính chất của hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel ........................... 32 2.2. Quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol- biodiesel .................................................................................................................... 34 2.2.1. Quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng diesel khoáng.................... 34 2.2.2. Quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol ..... 36 iii
2.2.3. Quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol- biodiesel .................................................................................................................... 38 2.3. Nghiên cứu cấu trúc tia phun khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp ........................ 39 2.3.1. Cấu trúc của tia phun trong động cơ .............................................................. 39 2.3.2. Cấu trúc tia phun với hỗn hợp nhiên liệu ....................................................... 43 2.4. Cơ sở lý thuyết mô phỏng trên phần mềm AVL Boost ..................................... 44 2.4.1. Phƣơng trình nhiệt động học .......................................................................... 44 2.4.2. Lý thuyết tính toán quá trình cháy.................................................................. 46 2.4.3. Lý thuyết tính toán truyền nhiệt ..................................................................... 50 2.4.4. Lý thuyết tính toán lƣợng phát thải trong động cơ diesel .............................. 51 2.4.5. Mô hình nhiên liệu.......................................................................................... 53 2.5. Cơ sở phƣơng pháp lấy mẫu và đếm hạt trong khí thải động cơ ....................... 53 2.5.1. Thành phần và phân bố hạt theo kích thƣớc................................................... 54 2.5.2. Sơ đồ hệ thống lấy mẫu trong phép đo số lƣợng hạt ...................................... 55 2.6. Kết luận chƣơng 2 ............................................................................................. 56 CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG TÍNH NĂNG KỸ THUẬT VÀ PHÁT THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL SỬ DỤNG HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DIESEL- ETHANOL-BIODIESEL ......................................................................................... 58 3.1. Xây dựng mô hình động cơ diesel và đánh giá độ tin cậy của mô hình. ........... 58 3.1.1. Mục đích và đối tƣợng mô phỏng .................................................................. 58 3.1.2. Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ ........................................................... 60 3.1.3. Đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng. .................................................. 64 3.2. Tính toán mô phỏng tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol và diesel-ethanol-biodiesel................................. 67 3.2.1. Kết quả mô phỏng khi sử dụng nhiên liệu diesel-ethanol .............................. 67 3.2.2. Kết quả mô phỏng khi sử dụng nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel .............. 73 3.3. Kết luận chƣơng 3 ............................................................................................. 83 CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM...................................................... 85 4.1. Mục đích thử nghiệm ....................................................................................... 85 4.2. Phƣơng pháp, đối tƣợng và chế độ thử nghiệm ............................................... 85 4.2.1. Phƣơng pháp thử nghiệm ............................................................................... 85 4.2.2. Đối tƣợng thử nghiệm.................................................................................... 85 4.2.3. Chế độ thử nghiệm ......................................................................................... 86 4.3. Trang thiết bị thử nghiệm ................................................................................ 86 4.3.1. Sơ đồ bố trí thử nghiệm ................................................................................. 86 4.3.2. Các thiết bị thử nghiệm chính ........................................................................ 87 iv
4.4. Nghiên cứu thực nghiệm cấu trúc chùm tia phun nhiên liệu diesel, DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5 .................................................................................................. 91 4.4.1. Các thiết bị sử dụng nghiên cứu ..................................................................... 91 4.4.2. So sánh cấu trúc chùm tia phun nhiên liệu diesel, DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5 .................................................................................................................... 92 4.5. Kết quả thử nghiệm động cơ trên băng thử ....................................................... 94 4.5.1. Tính năng kỹ thuật của động cơ và diễn biến áp suất trong xylanh ............... 94 4.5.2. Ảnh hƣởng của hỗn hợp nhiên liệu tới phát thải động cơ .............................. 98 4.6. So sánh kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm với nhiên liệu DE10B5....... 109 4.7. Tính toán sơ bộ lƣợng ethanol thay thế diesel ................................................. 111 4.8. Kết luận chƣơng 4 ........................................................................................... 112 KẾT LUẬN CHUNG ............................................................................................. 114 HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .................................................................. 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 116 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ................. 121 MỤC LỤC PHỤ LỤC ............................................................................................ 122 v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Sơ đồ sản xuất ethanol từ sắn [3] ............................................................... 7 Hình 1.2. Sơ đồ sản xuất ethanol từ xenluloza [5] ..................................................... 8 Hình 1.3. Sơ đồ sản xuất biodiesel ........................................................................... 12 Hình 1.4. Biểu đồ sản lƣợng ethanol trên thế giới từ năm 2007 đến 2015[12]. ....... 13 Hình 1.5. Phát thải động cơ khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE5, DE10 tại 1200 v/ph và 1500 v/ph [21]...................................................................................................... 16 Hình 1.6. Suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE5, DE10 tại 1200 v/ph và 1500 v/ph [21] .................................................................................... 16 Hình 1.7. Suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE10, DE30 [24]17 Hình 1.8. Phát thải NOx, smoke khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE10, DE30 [24] .. 17 Hình 1.9. So sánh tính năng động cơ của diesel, B5, B20, B70 và B100 [26] ........ 18 Hình 1.10. Phát thải của nhiên liệu diesel, B5, B20, B70 và B100 [26] .................. 19 Hình 1.11. Đặc tính cháy của nhiên liệu thử nghiệm [35] ....................................... 20 Hình 1.12. Công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và hiệu suất nhiệt của nhiên liệu thử nghiệm [36]............................................................................................................... 21 Hình 1.13. So sánh áp suất cháy và tốc độ tỏa nhiệt của diesel, DB10, DE10B10, DE20B10[38]............................................................................................................ 22 Hình 1.14. Phát thải của nhiên liệu diesel, B5, B20, DE3B12 và DE4B16 tại 100% tải [39]....................................................................................................................... 23 Hình 1.15. Phát thải của nhiên liệu diesel, DE15, DE10B10 và DE15B20 [40] ..... 24 Hình 1.16. Thay đổi Ne và ge theo tỷ lệ diesel.......................................................... 25 Hình 1.17. Quan hệ giữa CO, HC, NOx, độ khói và tỷ lệ pha trộn diesel sinh học [43]............................................................................................................................ 25 Hình 1.18. Mô men và suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE5, DE10 [48] ................................................................................................................. 26 Hình 1.19. Phát thải CO, HC, NOx khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE5, DE10 [48] 27 Hình 2.1. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng ethanol đến độ nhớt nhiên liệu [49,50,51].30 Hình 2.2. Trị số xêtan của nhiên liệu diesel-ethanol [49,50] ................................... 30 Hình 2.3. Nhiệt trị của nhiên liệu diesel-ethanol [49,50] ......................................... 31 Hình 2.4. Hàm lƣợng ô xy của hỗn hợp diesel-ethanol [49,50] ............................... 31 Hình 2.5. Nhiệt độ tự cháy của hỗn hợp diesel-ethanol [49,50] .............................. 32 Hình 2.6. Nhiệt ẩn hóa hơi của hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol [49,50].............. 32 Hình 2.7. Đồ thị khai triển quá trình cháy ở động cơ diesel [56,57,58]. .................. 35 Hình 2.8. So sánh áp suất trong xylanh khi sử dụng diesel và diesel-ethanol [59] .. 36 Hình 2.9. So sánh tốc độ tỏa nhiệt khi sử dụng diesel và diesel-ethanol [59] ......... 37 vi
Hình 2.10. Tốc độ cháy của nhiên liệu diesel-ethanol [59] ...................................... 37 Hình 2.11. Diễn biến áp suất trong xy lanh và tốc độ tỏa nhiệt (pinj = 1200 MPa, n = 1200 v/ph) [37]. ........................................................................................................ 39 Hình 2.12. Sự phân rã của một tia phun diesel hình nón [60]. ................................. 40 Hình 2.13. So sánh các tia phun với các tỷ lệ pha trộn ethanol và nhiệt độ nhiên liệu khác nhau [62] .......................................................................................................... 43 Hình 2.14. Ảnh hƣởng của tỷ lệ pha trộn diesel-ethanol-biodiesel đến đặc tính phun [62]............................................................................................................................ 44 Hình 2.15. Cân bằng năng lƣợng trong xylanh động cơ .......................................... 45 Hình 2.16. Thành phần phát thải hạt đƣợc tạo ra trong quá trình cháy .................... 54 Hình 2.17. Phân bố số lƣợng, khối lƣợng, diện tích bề mặt theo đƣờng kính hạt.... 55 Hình 2.18. Sơ đồ nguyên lý hệ thống lấy mẫu xác định số lƣợng hạt trong khí thải56 Hình 3.1. Động cơ diesel Hyundai D4BB ………………………………………..58 Hình 3.2. Đƣờng đặc tính ngoài động cơ thực ......................................................... 59 Hình 3.3. Mô hình động cơ D4BB ........................................................................... 61 Hình 3.4. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm........................................................... 65 Hình 3.5. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm phát thải CO ..................................... 66 Hình 3.6. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm phát thải NOx ................................... 66 Hình 3.7. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm phát thải NOx ................................... 67 Hình 3.8. Mômen (a) và suất tiêu hao nhiên liệu (b) theo đặc tính ngoài ................ 68 Hình 3.9. Suất tiêu hao nhiên liệu, sự thay đổi trung bình theo đặc tính tải ............ 69 Hình 3.10. Hàm lƣợng CO theo đặc tính ngoài ........................................................ 70 Hình 3.11. Hàm lƣợng CO theo đặc tính tải tại 2000v/ph ....................................... 71 Hình 3.12. Hàm lƣợng NOx theo đƣờng đặc tính ngoài ........................................... 71 Hình 3.13. Hàm lƣợng NOx theo đặc tính tải tại 2000v/ph ...................................... 72 Hình 3.14. Hàm lƣợng soot và sự thay đổi trung bình CO, NOx, soot theo đƣờng đặc tính ngoài .................................................................................................................. 73 Hình 3.15. Hàm lƣợng soot và sự thay đổi trung bình CO, NOx, soot theo đặc tính tải tại 2000v/ph ......................................................................................................... 73 Hình 3.16. Mô men và sự thay đổi trung bình theo đặc tính ngoài .......................... 75 Hình 3.17. Suất tiêu hao nhiên liệu và sự thay đổi trung bình theo đặc tính ngoài . 76 Hình 3.18. Suất tiêu hao nhiên liệu và sự thay đổi trung bình tại 2000 v/ph ........... 77 Hình 3.19. Hàm lƣợng CO và sự thay đổi trung bình theo đặc tính ngoài............... 78 Hình 3.20. Hàm lƣợng CO và sự thay đổi trung bình theo đặc tính tải tại 2000 v/ph .................................................................................................................................. 79 Hình 3.21. Hàm lƣợng NOx và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính ngoài .. 80 Hình 3.22. Hàm lƣợng NOx và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính tải tại 2000 v/ph .................................................................................................................. 81 vii
Hình 3.23. Hàm lƣợng soot và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính ngoài .. 82 Hình 3.24. Hàm lƣợng soot và sự thay đổi trung bình đƣờng đặc tính tải tại 2000 v/ph ........................................................................................................................... 83 Hình 4.1. Khuấy hòa trộn hỗn hợp nhiên liệu……………………………………86 Hình 4.2. Sơ đồ thử nghiệm động cơ D4BB ............................................................ 86 Hình 4.3. Băng thử động lực cao động cơ ................................................................ 87 Hình 4.4. Phanh điện APA 100 ................................................................................ 87 Hình 4.5. Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh thực tế của cảm biến tốc độ động cơ ......... 88 Hình 4.6. Thiết bị đo độ đen Smoke Meter AVL 415 .............................................. 89 Hình 4.7. Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh thực tế của AVL Fuel Balance 733S ......... 89 Hình 4.8. Sơ đồ của hệ thống phân tích khí xả AVL CEBII .................................... 90 Hình 4.9. Sơ đồ khối hệ thống lấy mẫu xác định số hạt trong khí thải .................... 91 Hình 4.10. Thiết bị cân chỉnh vòi phun .................................................................... 92 Hình 4.11. Máy quay Photron Fastcam SA3 tốc độ 3000 FPS ................................ 92 Hình 4.12. Quá trình chụp tia nhiên liệu .................................................................. 92 Hình 4.13. Cấu trúc tia phun nhiên liệu diesel, DE5, ED10, DE5B5 và DE10B5... 93 Hình 4.14. Mômen và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính ngoài................ 95 Hình 4.15. Suất tiêu hao nhiên liệu và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính ngoài ......................................................................................................................... 96 Hình 4.16. Suất tiêu hao nhiên liệu và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính tải tại 2000 v/ph ............................................................................................................. 97 Hình 4. 17. Diễn biến áp suất trong xylanh theo đƣờng đặc tính ngoài ................... 98 Hình 4.18. Phát thải CO và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính ngoài ....... 99 Hình 4.19. Phát thải CO và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính tải tại 2000 v/ph ......................................................................................................................... 100 Hình 4. 20. Phát thải HC và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính ngoài .... 101 Hình 4.21. Phát thải HC và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính tải tại 2000 v/ph ......................................................................................................................... 102 Hình 4.22. Phát thải NOx và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính ngoài .... 103 Hình 4.23. Phát thải NOx và sự thay đổi trung bình theo đặc tính tải tại 2000 v/ph ................................................................................................................................ 104 Hình 4.24. Độ khói và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính ngoài ............. 105 Hình 4.25. Độ khói và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính tải tại 2000 v/ph ................................................................................................................................ 106 Hình 4.26. Giá trị Lambda theo đƣờng đặc tính ngoài ........................................... 107 Hình 4.27. Giá trị Lambda theo đƣờng đặc tính tải tại 2000 v/ph ......................... 108 Hình 4.28. Số hạt và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính ngoài ................ 109 Hình 4.29. Số hạt trung bình trong khí thải theo đƣờng đặc tính ngoài ................. 109 viii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Tính chất vật lý của ethanol [2] ................................................................. 5 Bảng 2.1. Một số tính chất nhiên liệu hỗn hợp diesel-ethanol [49,50] ……………29 Bảng 2.2.Một số tính chất của hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel [49,50,53,54] ...... 33 Bảng 2.3. Chuỗi phản ứng hình thành NOx .............................................................. 51 Bảng 3.1. Các thông số cơ bản của động cơ D4BB theo catalog [73] ……………59 Bảng 3.2. Thông số đặc tính ngoài động cơ nghiên cứu .......................................... 59 Bảng 3.3. Tính chất của nhiên liệu mô phỏng [2,6] ................................................. 60 Bảng 3.4. Các phần tử để xây dựng mô hình động cơ D4BB .................................. 61 Bảng 3.5. Thành phần hóa học của nhiên liệu biodiesel nguồn gốc từ dầu cọ [63] . 62 Bảng 3.6. Thông số của mô hình nhiên liệu gốc [63] .............................................. 63 Bảng 3.7. So sánh kết quả thực nghiệm (TN) và mô phỏng (MP) công suất, suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng diesel ............................................................................. 64 Bảng 3.8. So sánh kết quả thực nghiệm (TN) và mô phỏng (MP) thành phần phát thải CO ...................................................................................................................... 65 Bảng 3.9. So sánh kết quả thực nghiệm (TN) và mô phỏng (MP) thành phần phát thải NOx .................................................................................................................... 66 Bảng 3.10. So sánh kết quả thực nghiệm (TN) và mô phỏng (MP) thành phần phát thải soot khi sử dụng diesel ...................................................................................... 67 Bảng 3.11. So sánh mômen của động cơ khi sử dụng diesel, DE5, DE10 ............... 68 Bảng 3.12. So sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng diesel, DE5, DE10 ......................................................................................................................... 68 Bảng 3.13. So sánh suất tiêu hao nhiên liệu theo đặc tính tải tại 2000v/ph ............. 69 Bảng 3.14. Phát thải CO theo đƣờng đặc tính ngoài ................................................ 70 Bảng 3.15. Phát thải CO theo đặc tính tải tại 2000v/ph ........................................... 70 Bảng 3.16. Phát thải NOx theo đƣờng đặc tính ngoài............................................... 71 Bảng 3.17. Phát thải NOx theo đặc tính tải tại 2000v/ph .......................................... 72 Bảng 3.18. Phát thải soot theo đƣờng đặc tính ngoài ............................................... 72 Bảng 3.19. Hàm lƣợng soot theo đặc tính tải tại 2000v/ph ...................................... 73 Bảng 3.20. Mômen của động cơ khi sử dụng diesel, DE5B5, DE10B5, DE15B5, DE20B5, DE30B5 tại đặc tính ngoài. ...................................................................... 74 Bảng 3.21. Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng diesel, DE5B5, DE10B5, DE15B5, DE20B5, DE30B5 theo đặc tính ngoài. ................................... 75 Bảng 3.22. Suất tiêu hao nhiên liệu tại 2000 v/ph theo đặc tính tải ......................... 76 Bảng 3.23. Phát thải CO theo đƣờng đặc tính ngoài ................................................ 77 Bảng 3.24. Phát thải CO khi sử dụng diesel, DE5B5,DE10B5, DE15B5, DE20B5 DE30B5, DE50B5 theo đặc tính tải tại 2000 v/ph ................................................... 78 ix
Bảng 3.25. Phát thải NOx theo đƣờng đặc tính ngoài............................................... 79 Bảng 3.26. Phát thải NOx theo đƣờng đặc tính tải tại 2000 v/ph............................. 80 Bảng 3.27. Phát thải soot theo đƣờng đặc tính ngoài ............................................... 81 Bảng 3.28. Phát thải soot theo đặc tính tải tại 2000 v/ph ......................................... 82 Bảng 4.1. Chiều dài và góc của tia phun…………………………………………93 Bảng 4.2. Mô men của động cơ với các mẫu nhiên liệu theo đƣờng đặc tính ngoài 95 Bảng 4.3. Suất tiêu hao nhiên liệu với các mẫu nhiên liệu theo đƣờng đặc tính ngoài .................................................................................................................................. 96 Bảng 4.4. Suất tiêu hao nhiên liệu với các nhiên liệu thử nghiệm theo đặc tính tải tại 2000v/ph ................................................................................................................... 96 Bảng 4.5. Phát thải CO theo đƣờng đặc tính ngoài .................................................. 99 Bảng 4.6. Phát thải CO theo đƣờng đặc tính tải tại 2000 v/ph ................................. 99 Bảng 4.7. Phát thải HC theo đƣờng đặc tính ngoài ................................................ 100 Bảng 4. 8. Phát thải theo đƣờng đặc tính tải tại 2000 v/ph .................................... 101 Bảng 4.9. Phát thải NOx theo đƣờng đặc tính ngoài............................................... 102 Bảng 4.10. Phát thải NOx theo đƣờng đặc tính tải tại 2000 v/ph ........................... 103 Bảng 4.11. Smoke theo đƣờng đặc tính ngoài ........................................................ 104 Bảng 4.12. Smoke khi theo đƣờng đặc tính tải tại 2000 v/ph ................................ 105 Bảng 4.13. Giá trị lambda theo đƣờng đặc tính ngoài ........................................... 106 Bảng 4.14. Giá trị Lambda theo đƣờng đặc tính tải tại 2000 v/ph ......................... 107 Bảng 4.15. Số hạt theo đƣờng đặc tính ngoài ......................................................... 108 Bảng 4. 16. So sánh kết quả mô phỏng (MP) và thực nghiệm (TN) mô men, suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng DE10B5................................................................ 109 Bảng 4. 17. So sánh kết quả mô phỏng (MP) và thực nghiệm (TN) thành phần phát thải CO khi sử dụng DE10B5 ................................................................................. 110 Bảng 4. 18. So sánh kết quả mô phỏng (MP) và thực nghiệm (TN) thành phần phát thải NOx khi sử dụng DE10B5 ............................................................................... 110 Bảng 4. 19. So sánh kết quả mô phỏng (MP) và thực nghiệm (TN) thành phần phát thải soot khi sử dụng DE10B5 ............................................................................... 111 x
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu/viết Tiếng Anh/tiếng Việt Diễn giải tắt AVL Boost - Phần mềm mô phỏng của hãng AVL bmep Brake Mean Effective Áp suất có ích trung bình Pressure HFRR High-Frequency Khả năng bôi trơn Receiprocating Rig B50 - Nhiên liệu 50%diesel và 50%biodiesel B70 - Nhiên liệu 30%diesel và 70%biodiesel B100 - Biodiesel 100% E5 - Nhiên liệu 95% xăng và 5% ethanol E10 - Nhiên liệu 90% xăng và 10% ethanol E85 - Nhiên liệu 15% xăng và 85% ethanol DB5 - Nhiên liệu 95% diesel và 5% biodiesel DE5 Nhiên liệu 95% diesel và 5% ethanol DE10 - Nhiên liệu 90% diesel và 10% ethanol DE15 - Nhiên liệu 85% diesel và 15% ethanol DE20 - Nhiên liệu 80% diesel và 20% ethanol DE30 - Nhiên liệu 70% diesel và 30% ethanol DE5B5 - Nhiên liệu 90% diesel và 5% ethanol và 5%biodiesel DE10B5 - Nhiên liệu 85% diesel và 10% ethanol và 5%biodiesel DE15B5 - Nhiên liệu 80% diesel và 15% ethanol và 5%biodiesel DE20B5 - Nhiên liệu 75% diesel và 20% ethanol và 5%biodiesel DE30B5 - Nhiên liệu 65% diesel và 30% ethanol và 5%biodiesel CME Cottonseed Methyl Dầu hạt bông Ester SME Soybean Methyl Ester Dầu đậu nành xi
RME Rapeseed Methyl Ester Dầu hạt cải PME Palm Oil Methyl Ester Dầu cọ WME Waste Cooking Oil Dầu ăn phế thải Methyl Ester NLSH Nhiên liệu sinh học Nhiên liệu từ nguồn sinh học TCVN - Hệ thống tiêu chuẩn đo lƣờng Việt Nam MHMP - Mô hình mô phỏng FPS Frame Per Second Tốc độ khung hình xii
MỞ ĐẦU i. Sự cần thiết của đề tài Hiện nay năng lƣợng và ô nhiễm môi trƣờng là hai vấn đề quan trọng và cấp bách cần giải quyết. Thực tế cho thấy, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp thì kéo theo là lƣợng năng lƣợng cần cho nó cũng tăng lên rất lớn. Trong khi đó nguồn năng lƣợng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt. Theo nhƣ dự báo của các nhà khoa học thì với tốc độ khai thác hiện nay, trữ lƣợng xăng dầu của toàn thế giới chỉ đủ cho khoảng 50 năm nữa. Mặt khác, việc sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch làm cho môi trƣờng bị ô nhiễm nghiêm trọng. Việc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch thải ra rất nhiều khí ô nhiễm nhƣ COx, NOx, SOx, các hợp chất hydrocacbon, bụi… gây nên nhiều hiệu ứng xấu đến môi trƣờng, hệ sinh thái và ảnh hƣởng lớn đến chất lƣợng cuộc sống. Vì vậy việc tìm ra các nguồn năng lƣợng mới có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trƣờng là điều rất quan trọng và cần thiết. Năng lƣợng tái tạo nói chung và nhiên liệu sinh học cho phƣơng tiện giao thông nói riêng đã và đang đƣợc nghiên cứu phát triển và ứng dụng mạnh mẽ. Một mặt nhiên liệu sinh học góp phần giải quyết vấn đề thiếu hụt năng lƣợng và ô nhiễm môi trƣờng. Mặt khác, nhiên liệu sinh học góp phần phát triển kinh tế nông thôn, tăng thu nhập cho ngƣời dân ở vùng sâu, vùng xa. Một khi sự phát triển bền vững, phát triển kinh tế gắn liền với các yếu tố xã hội và môi trƣờng có vai trò thiết yếu đối với mỗi quốc gia, lãnh thổ thì các nguồn năng lƣợng xanh, năng lƣợng phát thải cácbon thấp luôn nhận đƣợc sự ƣu tiên hàng đầu. Nhiên liệu sinh học sử dụng cho động cơ đốt trong phổ biến nhất hiện nay là ethanol và diesel sinh học. Việt Nam là nƣớc nông nghiệp nên có nhiều tiềm năng về sản xuất nhiên liệu sinh học thay thế cho nhiên liệu khoáng. Nhận biết đƣợc lợi ích của việc sử dụng nhiên liệu sinh học cũng nhƣ lợi thế to lớn, từ năm 2007 Chính phủ đã ban hành quyết định số 177/2007/QĐ-TTg phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” với mục tiêu chủ yếu là phát triển nhiên liệu sinh học, tái tạo đƣợc để thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch truyền thống, góp phần bảo đảm an ninh năng lƣợng và bảo vệ môi trƣờng [16]. Đề án này cũng đƣa ra mục tiêu cụ thể là đến năm 2015, nhiên liệu sinh học đáp ứng 1% và đến năm 2025 đáp ứng 5% nhu cầu xăng dầu của cả nƣớc. Nhằm thực hiện các mục tiêu này, năm 2012 Chính phủ ban hành quyết định số 53/2012/QĐ-TTg về lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống [17]. Theo quyết định này, xăng E5 và E10 đƣợc sử dụng tại 7 thành phố lớn vào cuối 2014 và 2016, tiếp theo sẽ sử dụng rộng rãi trên toàn quốc vào cuối 2015 và 2017, trong khi đó diesel sinh học B5 và B10 đƣợc khuyến khích sản xuất, phối chế và sử dụng. Đối với ethanol sinh học, nƣớc ta có khá nhiều nguồn nguyên liệu để chế biến nhƣ sắn, rơm rạ, trấu, vỏ cà phê, bã mía... Đến nay cả nƣớc đã có bảy nhà máy sản 1
xuất ethanol đi vào hoạt động với công suất thiết kế đạt khoảng 600.000 m3/năm. Lƣợng ethanol để pha xăng E5 bán trên thị trƣờng cho ô tô, xe máy chạy xăng khoảng 177.900 m3/năm chỉ chiếm 44% sản lƣợng. Do đó lƣợng ethanol thừa còn rất nhiều trong khi rất khó xuất khẩu do hạn chế về công nghệ và qui mô sản xuất nên giá thành cao. Nhằm duy trì và phát triển nền công nghiệp nhiên liệu sinh học còn non trẻ, góp phần phát triển kinh tế- xã hội và bảo vệ môi trƣờng cần phải tìm giải pháp tăng lƣợng tiêu thụ ethanol trong nƣớc. Một hƣớng khả thi nhất là nghiên cứu sử dụng ethanol cho động cơ diesel (là động cơ phổ biến trên xe tải, xe bus từ cỡ nhỏ đến cỡ lớn) bằng cách pha ethanol vào diesel. Tuy nhiên, do ethanol có những tính chất vật lý khác xa so với của diesel nhƣ trị số xetan thấp và độ nhớt thấp… nên ảnh hƣởng xấu đến tính năng của động cơ. Để khắc phục một phần ảnh hƣởng này có thể pha thêm một lƣợng biodiesel nhƣ là chất phụ gia. Do đó việc nghiên cứu sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel cho động cơ diesel và ảnh hƣởng đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ là cần thiết. ii. Mục đích nghiên cứu - Đánh giá ảnh hƣởng của nhiên liệu hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel tới tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel, làm cơ sở tăng lƣợng tiêu thụ ethanol. - Lựa chọn đƣợc tỷ lệ hợp lý để tạo hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel dùng làm nhiên liệu cho động cơ diesel. iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng nghiên cứu của luận án là động cơ D4BB, 4 xylanh thẳng hàng, hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu cơ khí, đƣợc sử dụng trên xe tải Hyundai 1,25 tấn đang lƣu hành tại Việt Nam. Nhiên liệu nghiên cứu trong mô phỏng là diesel thông thƣờng và hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel trong đó biodiesel có tỷ lệ 5%, tỷ lệ ethanol thay đổi từ 5% đến 30%, còn lại là diesel thông thƣờng. Nhiên liệu nghiên cứu trong thử nghiệm gồm diesel thông thƣờng, hỗn hợp nhiên DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5 (hỗn hợp đƣợc pha trộn theo phần trăm về thể tích). Nhiên liệu diesel có sẵn trên thị trƣờng Việt Nam theo TCVN 5689-2018. - Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong phòng thí nghiệm với các chế độ làm việc ổn định theo đƣờng đặc tính ngoài, đƣờng đặc tính tải. iv. Phương pháp nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án là phƣơng pháp tổng hợp và phân tích, nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm cụ thể nhƣ sau: - Nghiên cứu lý thuyết: Ứng dụng phần mềm AVL-Boost nghiên cứu mô phỏng động cơ D4BB sử dụng nhiên liệu diesel thông thƣờng và hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel theo tỷ lệ về thể tích nhằm thực hiện nhiệm vụ: 2
+ Đánh giá diễn biến các quá trình làm việc của động cơ diesel D4BB khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel. + Đƣa ra kết quả tính toán lý thuyết tính năng kinh tế kỹ thuật và phát thải động cơ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel. Qua đó lựa chọn tỷ lệ phối trộn để thực hiện thử nghiệm. - Nghiên cứu thực nghiệm: Thực hiện trong phòng thí nghiệm đánh giá định lƣợng và phân tích đƣợc ảnh hƣởng của hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel tới các thông số kinh tế kỹ thuật và phát thải động cơ diesel thông thƣờng. v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Luận án đã đƣa ra giải pháp khoa học phù hợp nhằm lựa chọn đƣợc tỷ lệ phối trộn hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel (DE10B5) hợp lý, đảm bảo tính năng kỹ thuật và giảm phát thải cho động cơ diesel đang lƣu hành. - Kết quả của luận án là cơ sở cho việc sử dụng ethanol làm nhiên liệu cho động cơ diesel, giúp nâng cao tiêu thụ nhiên liệu ethanol, góp phần hoàn thành mục tiêu của của đề án phát triển NLSH của Chính phủ. vi. Tính mới của đề tài Đây là công trình nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam thực hiện đánh giá tính năng kỹ thuật và phát thải động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel- ethanol-biodiesel trên động cơ diesel. Trong đó động cơ nghiên cứu là loại đƣợc sử dụng phổ biến ở Việt Nam, nhiên liệu ethanol và biodiesel đƣợc sản xuất từ nguồn nguyên liệu sắn và dầu cọ ở Việt Nam. vii. Bố cục của luận án Thuyết minh của luận án bao gồm các nội dung chính sau: Mở đầu Chƣơng 1: Tổng quan về nhiên liệu ethanol và biodiesel. Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết tính toán tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel. Chƣơng 3: Nghiên cứu mô phỏng tính năng kỹ thuật và phát thải động cơ diesel sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel. Chƣơng 4: Nghiên cứu thực nghiệm. Kết luận chung và hƣớng phát triển của đề tài. 3
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU ETHANOL VÀ BIODIESEL 1.1. Khái quát chung về nhiên liệu sinh học Trƣớc thực trạng ô nhiễm môi trƣờng từ khí thải động cơ đốt trong, sự suy giảm nguồn nhiên liệu hóa thạch và sự thiếu hụt về nguồn năng lƣợng nên việc tìm ra nguồn năng lƣợng mới có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trƣờng là điều quan trọng và cần thiết. Các nguồn năng lƣợng tái tạo có thể kể đến nhƣ thủy điện, năng lƣợng nguyên tử, năng lƣợng mặt trời, gió, thủy triều, năng lƣợng sinh học… trong đó sử dụng năng lƣợng có nguồn gốc sinh học đang là xu hƣớng chung của nhiều nƣớc trên thế giới. Năng lƣợng sinh học nói chung và nhiên liệu sinh học cho phƣơng tiện giao thông nói riêng đã và đang đƣợc nghiên cứu phát triển và ứng dụng. NLSH đƣợc định nghĩa là nhiên liệu đƣợc hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc từ động vật, thực vật [1]. Ví dụ nhƣ nhiên liệu chế suất từ chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa...), ngũ cốc (lúa mỳ, ngô, đậu tƣơng...), chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân...), sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cƣa, sản phẩm gỗ thải...). Sử dụng (NLSH) có nhiều ƣu điểm nhƣ: công nghệ sản xuất không quá phức tạp, có khả năng tái tạo, tăng hiệu quả kinh tế nông nghiệp, có thể sử dụng trên động cơ thông thƣờng mà ít phải thay đổi kết cấu. NLSH dùng cho động cơ đốt trong gồm hai dạng chủ yếu là nhiên liệu dạng khí và dạng lỏng. Nhiên liệu dạng khí gồm biogas hay khí sinh học là hỗn hợp của khí methane CH4 (50÷60%) và CO2 (>30%) và một số khí khác nhƣ hơi nƣớc, N2, O2, H2S, CO...sinh ra từ sự phân hủy các hợp chất hữu cơ trong môi trƣờng yếm khí, xúc tác ở nhiệt độ từ 200C÷400C. Nhiên liệu dạng lỏng gồm xăng sinh học và diesel sinh học. Hiện nay trên thế giới xăng sinh học thông dụng nhất là ethanol. Do ethanol có khả năng sản xuất ở quy mô công nghiệp từ nguyên liệu chứa tinh bột nhƣ ngũ cốc, ngô, khoai, sắn...và nguyên liệu chứa đƣờng nhƣ mía, củ cải đƣờng. Diesel sinh học đƣợc sản xuất từ dầu thực vật hay mỡ động vật bằng phản ứng chuyển hóa este, và có tính chất tƣơng đƣơng với nhiên liệu dầu diesel. 1.2. Nhiên liệu ethanol và biodiesel 1.2.1. Nhiên liệu ethanol 1.2.1.1. Tính chất lý Ethanol (công thức phân tử C2H5OH hay CH3CH2OH) là một hợp chất hữu cơ nằm trong dãy đồng đẳng của ancol methylic, không màu, mùi thơm dễ chịu, vị cay, dễ cháy. Ethanol là một dung môi linh hoạt, có thể hòa tan trong nƣớc. Các liên kết hydro làm cho ethanol tinh khiết có tính hút ẩm, hút hơi nƣớc trong không khí. Vì các phân tử ethanol có cấu trúc không phân cực nên sẽ hòa tan các chất không phân cực, bao gồm các loại tinh dầu, nhiều hƣơng liệu, màu sắc và thành phần trong dƣợc. Đặc điểm tính chất của ethanol so với xăng đƣợc thể hiện nhƣ sau: 4
Trị số octan của ethanol cao. Vì vậy, việc pha ethanol vào xăng thông dụng cũng sẽ có tác dụng nhất định trong việc hạn chế hiện tƣợng kích nổ. Thực tế cho thấy, xăng pha ethanol có trị số ốc tan cao hơn so với xăng gốc ban đầu. Nhiệt lƣợng của ethanol chỉ bằng khoảng 0,6 lần so với nhiệt lƣợng của xăng thông dụng nên về nguyên tắc, để có thể sản sinh ra một lƣợng nhiệt năng nhƣ nhau thì phải cần một lƣợng ethanol gấp khoảng 1,67 lần so với xăng. Vì vậy, để duy trì công suất cho động cơ khi chuyển từ xăng sang ethanol nguyên chất hoặc nhiên liệu hỗn hợp có thành phần ethanol cao thì cần phải có các biện pháp để tăng lƣợng nhiên liệu cung cấp tƣơng ứng với hàm lƣợng ethanol có trong đó. Áp suất bay hơi của ethanol cao hơn nhiều so với xăng. Tính chất này sẽ gây ra khó khăn cho động cơ sử dụng ethanol nguyên chất hoặc nhiên liệu hỗn hợp có thành phần ethanol cao trong việc khởi động xe ở nhiệt độ thấp và trong việc hòa trộn giữa nhiên liệu với không khí. Cũng do khả năng bay hơi kém nên ở loại động cơ nhiều xy lanh sử dụng chế hòa khí hoặc phun nhiên liệu tập trung, một lƣợng lớn ethanol dạng lỏng đã tạo thành lớp màng mỏng bám trên đƣờng ống nạp và dẫn tới sự phân bổ nhiên liệu không đồng đều giữa các xy lanh [1]. Một số tính chất lý hóa của ethanol đƣợc thể hiện trên Bảng 1.1. Bảng 1.1. Tính chất vật lý của ethanol [2] TT Đặc tính Đơn vị Giá trị 1 Nhiệt trị thể tích MJ/lít 21,1 ÷ 21,7 0 2 Nhiệt độ sôi C 78 3 Chỉ số Octan nghiên cứu RON 106 ÷130 4 Tỷ trọng ở 200C - 0,789 5 Hàm lƣợng Ôxy % 34,7 6 Độ tan trong nƣớc ở 250C % 100 0 7 Nhiệt độ tự cháy C 392 8 Độ nhớt ở 200C cP 1,2 9 Phân tử gam g/mol 46,07 10 Nhiệt độ tan K 158,8 11 Điểm tới hạn ở p=63bar K 514 12 pH - 7,0 13 Cp J/mol.K 65,21 14 Mật độ giới hạn nổ % 3,5 ÷15 1.2.1.2. Tính chất hóa học Trong phân tử C2H5OH có nhóm chức hydroxyl (OH) hình thành tính chất hóa học đặc trƣng của ethanol: - Phản ứng với kim loại kiềm: ethanol tác dụng với Na và NaNH2. - Phản ứng với axit halogen. - Phản ứng tách nƣớc (dehyđrat hóa) tạo ankan và ete. - Phản ứng dehydro hóa (tách hydro). 5
- Phản ứng với oxi hóa: ethanol dễ cháy, khi cháy không có khói và ngọn lửa có màu xanh da trời, tỏa nhiều nhiệt. - Phản ứng este hóa. - Phản ứng thế -OH bởi halogen trong photpho clorua PCl3, PCl5 và tionin clorua SOCl2 khi có pyridine C5H5N. 1.2.1.3. Công nghệ sản xuất ethanol Tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu mà ethanol đƣợc sản xuất theo các phƣơng pháp và quy trình khác nhau. Hiện nay có hai phƣơng pháp đƣợc dùng phổ biến để sản xuất ethanol nhƣ sau: a) Phương pháp hydrat hóa ethylen Ethanol dùng trong công nghiệp thƣờng đƣợc sản xuất từ các nguyên liệu dầu mỏ thông qua phƣơng pháp hydrat hóa ethylen với xúc tác axit. - Với xúc tác là axit photphoric: Cho ethylen hợp nƣớc ở 3000C áp suất 70 ÷ 80 atm thì phản ứng hóa học nhƣ sau. CH2 = CH2 + H2O → CH3 - CH2-OH - Với xúc tác là axit sunfuric. Phản ứng xảy ra theo hai giai đoạn: đầu tiên tạo etyl sunfat, sau đó chất này phân hủy tạo thành ethanol và tái tạo lại axit: CH2 = CH2 + H2SO4 → CH3 – CH2-OSO3H CH3 – CH2-OSO3H + H2O → CH3 – CH2-OH + H2SO4 Ethanol công nghiệp không phù hợp với mục đích làm đồ uống do có chứa một số thành phần độc hại nhƣ: methanol, denatonium (C21H29N2O, C7H5O2) là một chất có vị đắng, gây tê. b) Phương pháp lên men Nguồn nguyên liệu để sản xuất ethanol bằng công nghệ lên men chủ yếu sử dụng các loại cây trồng chứa đƣờng đơn giản (xenlulozo) hoặc ngũ cốc chứa tinh bột. Ethanol sinh ra trong quá trình lên men sẽ hòa tan trong nƣớc nên sau đó phải tiến hành chƣng cất và tinh cất để tạo ethanol nguyên chất (có thể đạt mức ethanol tuyệt đối - ethanol khan). Trong số các nguyên liệu thế hệ thứ nhất chứa tinh bột và đƣờng, sắn là sản phẩm có tỷ suất thu hồi ethanol cao nhất. Vì vậy, sắn đƣợc sử dụng để sản xuất ethanol trong nƣớc và xuất khẩu. Quá trình sản xuất ethanol từ sắn qua các giai đoạn sau (Hình 1.1) [3]: - Giai đoạn xử lý nguyên liệu sắn đem thái lát, phơi khô và nghiền. - Giai đoạn hồ hóa-đƣờng hóa: + Mặc dù tồn tại song song 02 công nghệ hồ hóa - đƣờng hóa bằng axít và bằng chế phẩm enzyme amylaza. Tuy nhiên, hầu hết các nhà cung cấp công nghệ sản xuất ethanol hiện nay đều lựa chọn công nghệ hồ hóa - đƣờng hóa bằng chế phẩm enzyme amylaza. 6
+ Tinh bột có màng tế bào bảo vệ nên enzyme amylaza không thể tác động trực tiếp đƣợc. Khi nghiền nguyên liệu, chỉ một phần rất ít tế bào tinh bột bị phá vỡ. Mặt khác ở nhiệt độ môi trƣờng tinh bột không hòa tan trong nƣớc, khi đƣờng hóa, enzyme amylaza tác dụng rất chậm. + Quá trình hồ hóa tiếp tục phá vỡ tế bào tinh bột, biến tinh bột ở trạng thái không hòa tan trong nƣớc thành trạng thái hoà tan, giúp cho quá trình đƣờng hóa thuận lợi hơn. + Quá trình đƣờng hóa sử dụng enzyme amylaza chuyển hóa tinh bột hòa tan thành đƣờng có thể lên men đƣợc. Trên cơ sở phát triển của công nghệ enzyme chủ yếu do các nhà sản xuất enzyme hàng đầu thế giới nhƣ NOVO ENZYME (Đan Mạch), GENENCOR (Mỹ)… - Lên men. - Chƣng cất để tạo ethanol nguyên chất. - Tách nƣớc để tạo ethanol khan với nồng độ trên 99,5% Hình 1.1. Sơ đồ sản xuất ethanol từ sắn [3] Nguồn nguyên liệu thế hệ thứ hai bao gồm phụ phẩm nông nghiệp nhƣ rơm rạ, bã mía, vỏ trấu, vỏ lạc, vỏ cà phê, thân ngô…chất thải rừng gồm những nguyên liệu chứa gỗ nhƣ vỏ cây, thân cây...Theo khảo sát và đánh giá của Viện Nghiên cứu chiến lƣợc, chính sách Công nghiệp - Bộ Công Thƣơng cho thấy, trữ lƣợng cồn nhiên liệu tiềm năng đi từ nguyên liệu thế hệ thứ hai của Việt Nam rất lớn, ƣớc tính khoảng 10,9 tỷ lít. Trong đó chiếm tỷ trọng lớn nhất là nguyên liệu từ phụ phế phẩm 7
nông nghiệp. Tuy nhiên, do chi phí công nghệ chế biến còn cao, đặc biệt là khâu xử lý nguyên liệu ban đầu khá phức tạp, nguyên liệu khó thu gom, phân loại ở quy mô lớn nên khó ứng dụng để sản xuất cồn trong điều kiện hiện nay của Việt Nam [4]. Quá trình sản xuất ethanol từ xenluloza chỉ khác với quá trình lên men tinh bột ở chỗ xử lý nguyên liệu thành đƣờng đơn sẵn sàng cho quá trình lên men. Thủy phân hỗn hợp xenluloza khó hơn thủy phân tinh bột vì hỗn hợp xenluloza là tập hợp các phân tử đƣờng liên kết với nhau thành mạch dài (polyme cacbonhydrat) gồm khoảng 40÷60% xenluloza và 20÷40% hemixenluloza, cấu trúc tinh thể bền. Hemixenluloza chứa hỗn hợp các polyme có nguồn gốc từ xylo, mano, galaeto hoặc arabino kém bền hơn xenlulo. Nói chung hỗn hợp xeluloza khó hòa tan trong nƣớc. Phức polyme thơm có trong gỗ lignin (10÷25%) không thể lên men vì khó phân hủy sinh học, nhƣng có thể tận dụng vào việc khác [5]. Để sản xuất ethanol từ xenluloza cần qua 6 giai đoạn Hình 1.2: - Giai đoạn tiền xử lý, để tạo nguyên liệu licnoxenluloza nhƣ gỗ hoặc rơm rạ để thủy phân. - Thủy phân xenluloza (cellulolysis) để bẻ gãy các phân tử để tạo đƣờng. - Tách đƣờng từ các nguyên liệu còn sót lại, đáng chú ý là lignin (chất polyme thơm). - Lên men. - Chƣng cất để tạo ra ethanol nguyên chất. - Khử nƣớc để tạo ra ethanol khan với nồng độ lên đến 99,7%. Hình 1.2. Sơ đồ sản xuất ethanol từ xenluloza [5] 1.2.2. Nhiên liệu biodiesel Diesel sinh học (Biodiesel) là loại nhiên liệu có những tính chất tƣơng đƣơng với diesel khoáng nhƣng đƣợc sản xuất từ dầu thực vật hay mỡ động vật. Về phƣơng diện hoá học, biodiesel là methyl este (hay ethyl ester) của những axit béo trong dầu hay mỡ khi đƣợc ester hoá bởi các methanol hoặc ethanol [6]. 1.2.2.1. Tính chất vật lý 8