Đồ án Nghiên cứu giải pháp sử dụng hỗn hợp dầu Jatropha và dầu diesel làm nhiên liệu cho động cơ diesel

1 MỤC LỤC Trang MỤC LỤC ..............................................................................................................1 Lời Nói Đầu ............................................................................................................4 Chương I: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHÁY VÀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG DO KHÍ THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL ..............................................................6 1.1 Tổng quan về quá trình cháy nhiên liệu trong động cơ diesel: .......................6 1.1.1 Quá trình hình thành hỗn hợp cháy trong động cơ diesel: ..........................9 1.1.1.1 Đặc điểm hình thành hòa khí trong động cơ diesel:...............................9 1.1.1.2 Phân loại hình thành hòa khí trong động cơ diesel: ...............................9 1.1.2 Diễn biến và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy: ..........................10 1.2 Ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ diesel ...............................................14 1.2.1 Các chất độc hại trong khí thải và tác hại của chúng: ..........................14 1.2.1.1 Đối với sức khỏe con người: ...............................................................14 1.2.1.2 Đối với môi trường: ............................................................................15 1.2.2 Giới thiệu nhiên liệu thay thế nhằm giảm ô nhiễm khí thải:.......................18 1.3 Tình hình nghiên cứu nhiên liệu thay thế trên thế giới và trong nước: .............19 1.3.1 Nghiên cứu sử dụng dầu thực vật tinh khiết làm nhiên liệu thay thế: ........22 1.3.2 Nghiên cứu sử dụng diesel sinh học làm nhiên liệu thay thế: .....................23 1.3.2.1 Sản xuất nhiên liệu sinh học từ dầu thực vật: ......................................23 1.3.2.2 Nguồn nguyên liệu: ............................................................................25 1.3.2.3 Những thành tựu về mặt kĩ thuật: ..................................................26 1.3.3 Tình hình nghiên cứu trong nước: .............................................................27 Chương II: GIẢI PHÁP SỬ DỤNG HỖN HỢP DẦU JATROPHA_DIESEL LÀM NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ DIESEL. .............................................................29 2.1 Các tính chất của dầu thực vật nói chung: ........................................................29 2.1.1 Thành phần hóa học của dầu thực vật:.......................................................29 2.1.2 Đặc tính của dầu thực vật: .........................................................................30 2.2 Các phương pháp sử dụng dầu thực vật làm nhiên liệu: ...................................32 2 2.2.1 Phương pháp sấy nóng nhiên liệu: .............................................................32 2.2.2 Phương pháp pha loãng:............................................................................32 2.2.3 Phương pháp cracking:..............................................................................32 2.2.4 Phương pháp nhũ tương hoá dầu thực vật:.................................................33 2.2.5 Phương pháp ester hoá (điều chế Biodiesel): .............................................33 2.3 Triển vọng của việc sử dụng dầu Jatropha làm nhiên liệu cho động cơ diesel: .35 2.4 Phương pháp dùng dầu Jatropha làm nhiên liệu: ..............................................36 2.4.1 Điều chế thành biodiesel sinh học: ............................................................36 2.4.2 Sấy nóng dầu Jatropha: .............................................................................37 2.4.3 Pha loãng và gia nhiệt: ..............................................................................37 2.5 Giải pháp tạo mẫu nhiên liệu từ hỗn hợp dầu Jatropha + diesel:.......................37 2.5.1 Chọn tỉ lệ pha:...........................................................................................37 2.5.3 Kết luận: ...................................................................................................40 2.6 Gải pháp kỹ thuật: ...........................................................................................40 2.6.1 Phương pháp pha hỗn hợp:........................................................................40 2.6.1.1 Pha thủ công bằng tay:........................................................................40 2.6.1.2 Pha nhiên liệu theo qui mô công nghiệp:.............................................40 2.6.1.3 Thiết bị đồng thể hóa hỗn hợp nhiên liệu: ...........................................40 2.6.2.2 Hệ thống chuẩn bị nhiên liệu với bộ sấy bằng khí xả. ........................46 2.6.2.3 Hệ thống chuẩn bị nhiên liệu với bộ sấy điện ắc qui.........................47 2.6.2.4 Hệ thống chuẩn bị nhiên liệu với bộ sấy điện xoay chiều: ...................48 2.6.3 Kết luận: ...................................................................................................48 2.6.3.1 Hệ thống nhiên liệu thay thế cho trạm diesel-máy phát điện và động cơ chính tàu thủy:................................................................................................48 2.6.3.2 Hệ thống nhiên liệu thay thế cho động cơ ôtô: ....................................50 2.6.3.1 Hệ thống nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel dùng trong nông nghiệp: ...........................................................................................................51 2.6.4 Quy trình vận hành động cơ với nhiên liệu thay thế:..................................53 2.6.4.1 Chuẩn bị khởi động động cơ ...............................................................54 3 2.6.4.2 Hâm nóng và chạy nhiên liệu thay thế ................................................54 2.6.4.3 Mắc phụ tải.........................................................................................55 2.6.4.4 Dừng động cơ .....................................................................................55 2.7 Chạy thử nghiệm: ............................................................................................56 2.7.1 Thiết bị thử nghiệm:..................................................................................56 2.7.1.1 Động cơ D12: .....................................................................................56 2.7.1.2 Máy phát điện xoay chiều: ..................................................................57 2.7.1.3 Các thiết bị phục vụ cho động cơ và lấy số liệu cần đo: ......................58 2.7.1.4 Cụm phụ tải: .......................................................................................60 2.7.1.5 Sơ đồ bố trí thiết bị thử nghiệm: .........................................................60 2.7.2 Kết quả chạy thực nghiệm:........................................................................64 Chương III: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................67 3.1 Kết luận: ..........................................................................................................67 3.2 Đề xuất ý kiến: ................................................................................................68 TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................69 4 Lời Nói Đầu Cùng với sự phát trển ngày càng cao của đất nước là sự gia tăng các phương tiện giao thông, do đó tình hình ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ diesel nói riêng và của động cơ đốt trong nói chung đang gia tăng tới mức báo động. Bên cạnh đó nguồn cung cấp nhiên liệu dầu mỏ ngày càng cạn kiệt là mối lo ngại hàng đầu của các nước trên thế giới đặc biệt là với các nước đang phát triển như nước ta. Do đó, con người đã và đang nghiên cứu tìm ra những nguồn nguyên liệu mới thay thế cho dầu mỏ nhưng vẫn đảm bảo tính kinh tế , kỹ thuật, tuổi thọ của động cơ và không gây ảnh hưởng tới sức khỏe con người cũng như môi trường sống. Trước thực tế đó, tôi đã được bộ môn Động lực-khoa Kỹ thuật tàu thủy giao đề tài: “Nghiên cứu giải pháp sử dụng hỗn hợp dầu Jatropha và dầu diesel làm nhiên liệu cho động cơ diesel”. Sau một thời gian nghiên cứu và thực nghiệm đến nay tôi đã hoàn thành đồ án với 3 nội dung cơ bản sau: Chương I: Tổng quan về quá trình cháy và ô nhiễm môi trường do khí thải của động cơ diesel. Chương II:Giải pháp sử dụng hỗn hợp dầu Jatropha-diesel làm nhiên liệu cho động cơ diesel. Chương III: Kết luận và đề xuất ý kiến. Trong quá trình thực hiện tôi đã cố gắng rất nhiều để hoàn thành đồ án, song do trình độ, trang thiết bị, máy móc thí nghiệm còn hạn chế nên đồ án không tránh khỏi những thiếu sót rất mong quý Thầy và các bạn góp ý để đồ án được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn thầy: ThS.Gvc: Phùng Minh Lộc đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài, tôi cũng 5 xin chân thành cảm ơn các quý Thầy trong bộ môn Động lực cũng như trong khoa Kỹ thuật tàu thủy đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành đồ án. Tôi xin chân thành cảm ơn! Nha trang, ngày 18 tháng 12 năm 2009 Sinh viên thực hiện 6 Chương I: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHÁY VÀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG DO KHÍ THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL 1.1 Tổng quan về quá trình cháy nhiên liệu trong động cơ diesel: Khái niệm: Cháy ở động cơ diesel là một quá trình hóa học có kèm theo tỏa nhiệt. Phương trình phản ứng hóa học giữa các phân tử nhiên liệu và không khí ở động cơ diesel có thể được biểu diễn như sau:   22222 24 .76,3 2 76,3. 24 NrmnOHmnCONOrmnOHC rmn              (1.1) Ví dụ, phương trình (1.1) viết cho nhiên liệu là xetan (C16H34) sẽ có dạng:   222223416 92171676,3.4 3416 NOHCONOHC        (1.2) Từ phương trình (1.2) ta thấy, để đốt cháy hoàn toàn một phân tử xetan cần phải có ít nhất 20,25 phân tử oxy, tương đương với 96,39 phân tử không khí. Nếu tính theo khối lượng thì cần phải có ít nhất 24,35kg không khí để đốt cháy hoàn toàn 1kg xetan. Nếu sử dụng lượng không khí nhiều hơn lượng không khí lý thuyết để có thể đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu trong điều kiện thực tế thì trong khí thải sẽ có oxy dư. Ví dụ phương trình hoá học của quá trình cháy octane với lượng không khí dư 20% sẽ có dạng :   2222223416 8,255,11017876,34 3416.2,1 ONOHCONOHC              (1.3) Nếu lượng không khí nạp vào động cơ ít hơn lượng không khí lý thuyết thì nhiên liệu sẽ cháy không hoàn toàn và trong khí thải sẽ có thêm các sản phẩm khác, như: CO, H2, CnHm, C, v.v. Ví dụ: phương trình cháy xetan với lượng không khí bằng 80% lượng không khí lí thuyết sẽ có dạng: 7   2222223416 76,34 3416.8,0 dOcNObHaCONOHC              (1.4) Trong đó: a, b, c và d là số kmol của mỗi loại sản phẩm cháy. Các phản ứng hoá học giữa các phân tử nhiên liệu và oxy giới thiệu ở trên là sự thể hiện kết quả cuối cùng của hàng loạt quá trình lý-hoá diễn ra từ thời điểm các phân tử nhiên liệu và oxy chịu tác động của nhiệt độ và áp suất đủ cao để có thể diễn ra các quá trình hoá học. Sự cháy của nhiên liệu thường bắt đầu từ những trung tâm cháy đầu tiên. Chúng ta qui ước gọi thời điểm xuất hiện những tâm cháy đầu tiên là thời điểm phát hoả. Cơ chế hình thành những trung tâm cháy đầu tiên, tức là cơ chế của sự phát hoả ở động cơ diesel vẫn chưa được lý giải một cách hoàn chỉnh. Dưới đây sẽ giới thiệu một số lý thuyết được thừa nhận tương đối rộng rãi và các khái niệm cơ bản liên quan đến sự phát hoả và cháy của nhiên liệu ở động cơ diesel. [1]  Lý thuyết phát hỏa do nhiệt: Lý thuyết phát hoả do nhiệt lý giải sự hình thành những trung tâm cháy đầu tiên là nhờ gia tốc dương của phản ứng toả nhiệt, tức là sự phát triển các phản ứng chỉ dựa vào nhiệt năng do bản thân của các phản ứng tạo ra để tự sấy nóng và làm tăng tốc phản ứng. Theo lý thuyết này thì nhiệt độ phát hoả không phải là một đại lượng vật lý đặc trưng cho một loại nhiên liệu mà là một thông số thay đổi theo điều kiện diễn ra quá trình đốt cháy nhiên liệu.  Lý thuyết phát hỏa do phản ứng dây chuyền: Lý thuyết phát hoả do phản ứng dây chuyền cho rằng điều kiện duy nhất đảm bảo sự phát hoả là tốc độ phân nhánh phản ứng dây chuyền lớn hơn tốc độ làm gián đoạn phản ứng dây chuyền. Nội dung cơ bản của lý thuyết này như sau: nhờ một năng lượng kích thích ban đầu nào đó sẽ xuất hiện những phần tử hoạt tính-những gốc hoá học có hoá trị tự do và có năng lượng hoạt 8 hoá lớn. Những phần tử hoạt tính này có khả năng gây phản ứng hoá học với các phân tử trung hoà để tạo ra những phần tử hoạt tính mới theo kiểu phản ứng dây chuyền. Trong quá trình phản ứng, một số phần tử hoạt tính có khả năng tạo ra những phần tử hoạt tính mới và làm phân nhánh dây chuyền, đồng thời cũng có thể có những phần tử hoạt tính tác dụng với khí trơ hoặc va chạm với vách xylanh có nhiệt độ thấp và bị đứt nhánh dây chuyền. Phản ứng dây chuyền có dẫn đến phát hoả hay không còn tuỳ thuộc vào điều kiện đảm bảo cho sự tách nhánh dây chuyền diễn ra với tốc độ lớn hơn tốc độ đứt nhánh dây chuyền. Sự phát hoả sẽ diễn ra khi tốc độ phản ứng dây chuyền đạt đến trị số giớ hạn.  Sự phát hỏa của nhiên liệu hidrocacbon ở động cơ diesel: Ở động cơ diesel, nhiệt độ trong xylanh tại thời điểm phun nhiên liệu không đủ cao để có thể phá huỷ cấu trúc của các phân tử CnHm và O2 (TC≈700÷9000C). Tuy nhiên, ở nhiệt độ tương đối thấp (300÷4000C) vẫn có thể diễn ra phản ứng hoá học giữa các phân tử CnHm và O2 với sự hình thành những chất peroxide. Ví dụ: Hoặc: ROOH RO + OH Sản phẩm của sự phân huỷ các chất peroxide có thể là các chất có tính hoạt hoá yếu như aldehyde, ketone, olefin, v.v. và các phần tử hoạt tính, ví dụ RO, OH, v.v. Các phần tử hoạt tính mới được hình thành dễ dàng phản ứng với các phân tử CnHm và O2 để tạo ra những phần tử hoạt tính mới và làm xuất hiện phản ứng dây chuyền rồi có thể kết thúc bằng sự xuất hiện những trung tâm cháy đầu tiên. Đó là những khu vực tập trung những phần tử hoạt tính với 9 nồng độ đủ lớn sao cho tốc độ toả nhiệt từ các phản ứng hoá học giữa chúng với nhau và giữa chúng với các phân tử nhiên liệu lớn hơn tốc độ truyền nhiệt từ khu vực phản ứng ra ngoài. Trong điều kiện như vậy, sự tự gia tốc dây chuyền làm cho phản ứng đạt đến tốc độ đảm bảo việc tự bốc cháy và cháy của hỗn hợp cháy (HHC) xung quanh. [1] 1.1.1 Quá trình hình thành hỗn hợp cháy trong động cơ diesel: [2] 1.1.1.1 Đặc điểm hình thành hòa khí trong động cơ diesel: Có hai đặc điểm sau - Hòa khí được hình thành bên trong xilanh động cơ với thời gian rất ngắn; tính theo góc quay trục khuỷu, chỉ bằng 1/10 đến 1/20 so với trường hợp của máy xăng; Vì nhiên liệu diesel khó bay hơi hơn xăng nên phải được phun thật tơi và hòa trộn đều trong không gian buồng cháy. Vì vậy phải tạo điều kiện để nhiên liệu được sấy nóng, bay hơi nhanh và hòa trộn đều với không khí trong buồng cháy nhằm tạo ra hòa khí; mặt khác phải đảm bảo cho nhiệt độ không khí trong buồng cháy trong thời gian phun nhiên liệu phải đủ lớn để hòa khí có thể tự bốc cháy. - Quá trình hình thành hòa khí và quá trình bốc cháy nhiên liệu của động cơ diesel chồng chéo lên nhau. Sau khi phun nhiên liệu, trong buồng cháy diễn ra một loạt thay đổi về lý hóa của nhiên liệu, sau đó phần nhiên liệu phun vào trước đã tạo ra hòa khí, tự bốc cháy, trong khi nhiên liệu vẫn được phun tiếp, cung cấp cho xilanh của động cơ. Như vậy sau khi đã cháy một phần, hòa khí vẫn tiếp tục được hình thành, và thành phần hòa khí thay đổi liên tục trong không gian và suốt thời gian của quá trình. 1.1.1.2 Phân loại hình thành hòa khí trong động cơ diesel: 10  Dựa vào vị trí bay hơi của nhiên liệu chia thành: - Hình thành hòa khí kiểu thể tích: nhiên liệu được phun tơi vào không gian buồng cháy, được sấy nóng, bay hơi và hòa trộn đều với không khí tại đây, tạo thành hòa khí. - Hình thành hòa khí trên bề mặt: nhiên liệu được phun và tráng thành màng trên bề mặt thành buồng cháy, được sấy nóng, bay hơi tại đây để hòa trộn với không khí. - Hình thành hòa khí kiểu hỗn hợp: theo yêu cầu của các chế độ vận hành khác nhau, một phần nhiên liệu được hình thành hòa khí theo kiểu thể tích, còn một phần hình thành trên bề mặt buồng cháy.  Dựa vào nhân tố điều khiển, sự hình thành hòa khí chia thành: - Phun trực tiếp, hình thành hòa khí chủ yếu dựa vào sự phối hợp giữa chất lượng phun sương của nhiên liệu với hình dạng buồng cháy, tác dụng phụ là vận động xoáy lốc của dòng khí nạp và dòng khí chèn cuối quá trình nén. - Kiểu xoáy lốc, hình thành hòa khí chủ yếu dựa vào sự phối hợp giữa chuyển động xoáy lốc của dòng môi chất đi vào buồng cháy phụ và tia nhiên liệu trong buồng cháy, ngoài ra còn dựa vào cường độ của dòng môi chất từ buồng cháy phụ phun ra sau khi bốc cháy kết hợp với hình dạng buồng cháy chính. - Kiểu dự bị, hình thành hòa khí chủ yếu dựa vào áp suất cao của môi chất trong buồng cháy dự bị, sau khi một phần nhiên liệu đã được cháy trước ở đây tạo ra để phun vào buồng cháy chính, giúp nhiên liệu chưa cháy kịp và không khí được hòa trộn tốt và cháy kiệt nhanh trong buồng cháy chính. 1.1.2 Diễn biến và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy: [3] 11 Sự tự phát hỏa của hydrocacbon trong động cơ diesel là một chuỗi quá trình phân nhánh bao gồm bốn quá trình là sự khởi đầu chuỗi phản ứng, lan truyền chuỗi, phân nhánh chuỗi, và kết thúc chuỗi. Sau khi bắt đầu phun, sự phát hỏa xảy ra sau một thời gian cảm ứng nhất định gọi là sự chậm phát hỏa. Trong suốt thời gian trễ này, nhiên liệu bay hơi cho đến khi khu vực đầu tiên của hỗn hợp dễ bắt lửa với tỷ lệ hòa khí 0,5<λ<0,7 được hình thành. Hơn nữa, các phản ứng hóa học trong khu vực này phải sản xuất đủ gốc nhiên liệu để bắt đầu quá trình cháy. Sự khởi đầu chuỗi sản sinh các gốc tự do đầu tiên này từ các phân tử nhiên liệu ổn định. Phản ứng này diễn ra từ từ, bởi vì các phân tử ổn định được tham gia vào quá trình. Sau đó, nếu một số nồng độ đậm đặc đạt được, sự lan truyền các chuỗi và chuỗi các phản ứng phân nhánh dạng căn bản tự bổ sung. Sự lan truyền các chuỗi phản ứng đã thay đổi bản chất của các gốc tự do nhưng không phải về số lượng. Một số các chuỗi phản ứng dây chuyền sinh ra các gốc tự do, mà sau đó chúng chiếm một phần trong chuỗi phản ứng phân nhánh làm tăng số lượng các gốc tự do và dẫn đến sự tăng tốc đáng kể của các phản ứng, cuối cùng dẫn đến sự nổ. Việc chậm cháy chủ yếu lệ thuộc vào nhiệt độ, sự gia tăng của nhiệt độ sẽ giảm thời gian này. Quá trình phát hỏa đa tầng có thể được chia thành ba khoảng nhiệt độ, phản ứng ở nhiệt độ thấp (chế độ phát hỏa lạnh), khoảng nhiệt độ trung gian, và nhiệt độ oxy hóa cao. Chế độ phát hỏa lạnh thường xảy ra ở khoảng nhiệt độ khí điển hình từ 600 đến 8000K. Phản ứng tiến triển chậm chỉ với sự gia tăng nhiệt độ nhỏ. Tuy nhiên, để tăng nhiệt độ, việc hình thành các gốc tự do bởi các phản ứng ngọn lửa lạnh bị giảm xuống vì các phản ứng ngược xảy ra nhanh hơn (thoái hóa chuỗi phân nhánh). Do đó, khu vực nhiệt trung gian này được đặc trưng bởi cái gọi là hệ số nhiệt âm (NTC), nó đại diện cho sự tăng thời gian chậm cháy do sự gia tăng nhiệt độ. Ngay sau khi nhiệt độ được tăng lên bởi sự phát nhiệt của các phản ứng phát hỏa lạnh và đạt tới lực nén cao 12 hơn ở các xi lanh nạp, chuỗi phân nhánh của các phản ứng ở nhiệt độ cao (T>10000K) dẫn đến sự nổ. Mô hình phát hỏa được sử dụng rộng rãi nhất là mô hình Shell [3], được phát triển bởi Halstead. Tên của mô hình ghép từ tên của các tác giả. Mô hình ban đầu được phát triển để dự đoán sự phát hỏa bằng bugi đánh lửa trong động cơ và sau đó được điều chỉnh để dự đoán sự tự phát hỏa trong động cơ diesel. Bởi vì nó không thể mô phỏng cả vài trăm phản ứng có liên quan trong suốt quá trình phát hỏa, mô hình được dựa trên một lớp khái niệm hóa học và bao gồm tám bước phản ứng giữa năm loại. N