MỤC LỤC Danh mục các kí hiệu, các chữ viết tắt Danh mục các hình vẽ, các bảng MỞ ĐẦU . 1 CHưƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SINH HỌC VÀ PHỤ GIA CHO NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG . 5 1.1 Nhiên liệu sinh học và vai trò 5 1.1.1. Các dạng nhiên liệu sinh học 5 1.1.1.1. Cồn . 5 1.1.1.2. Dầu thực vật . 6 1.1.1.3. Metyl este . 6 1.1.1.4. Hợp chất chứa oxy . 7 1.1.1.5. Dimetyl ether . 7 1.1.1.6. Dimetyl cacbonate (DMC) . 7 1.1.2. Nhiên liệu bio- diesel 8 1.1.2.1. Khái niệm và nguồn nguyên liệu để sản xuất . 8 1.1.2.2. Tình hình sản xuất và sử dụng bio-diesel trên thế giới và Việt Nam 10 1.1.2.3. Tính chất vật lý . 12 1.1.2.4. Tính chất hóa học . 12 1.1.2.5. Các đặc điểm khác của biodiesel . 13 1.1.3. Xăng sinh học . 14 1.1.3.1. Khái niệm và nguồn nguyên liệu để sản xuất . 14 1.1.3.2. Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol trên thế giới và Việt Nam 14 1.1.3.3. Tính chất vật lý . 15 1.1.3.4. Tính chất hóa học . 16 1.1.3.5. Các đặc điểm khác của ethanol 17 1.2. Phụ gia cho nhiên liệu động cơ đốt trong 17 1.2.1. Phụ gia cho nhiên liệu hóa thạch 17 1.2.1.1. Phụ gia cho nhiên liệu xăng . 18 1.2.1.2. Phụ gia cho nhiên liệu diesel . 18 1.2.1.3. Phụ gia nano . 19 1.2.1.4. Một số phụ gia điển hình 20 1.2.2. Phụ gia cho nhiên liệu sinh học . 22 1.2.2.1. Đặc điểm của phụ gia cho nhiên liệu sinh học 22 1.2.2.2. Một số phụ gia sinh học điển hình 23 1.3. Các công trình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam về phụ gia cho nhiên liệu sinh học 25 1.3.1 Các nghiên cứu trên thế giới về phụ gia cho nhiên liệu sinh học . 25 1.3.2 Các nghiên cứu trong nước . 29 . 30 CHưƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHỤ GIA CHO HỖN HỢP ETHANOL SINH HỌC VỚI NHIÊN LIỆU HÓA THẠCH 32 2.1. Nhiên liệu khoáng pha trộn với nhiên liệu sinh học 32 2.1.1. Ethanol nhiên liệu biến tính . 32 2.1.2. Chỉ tiêu chất lượng xăng và diesel thông dụng . 33 2.1.2.1.Các đặc tính và chỉ tiêu chất lượng của xăng thông dụng . 34 2.1.2.2. Chỉ tiêu chất lượng của diesel thông dụng 35 2.1.3. Xăng pha ethanol 36 iv 2.1.4. Diesel pha ethanol . 37 2.1.5. Khả năng thích ứng của nhiên liệu khoáng pha trộn với ethanol 37 2.2. Tính chất lý hoá của hỗn hợp ethanol và nhiên liệu hoá thạch E10 và D5 38 2.2.1. Tính chất lý hoá của nhiên liệu E10 38 2.2.2. Tính chất lý hoá của diesel D5 42 2.3. Phụ gia cho hỗn hợp ethanol sinh học với nhiên liệu hóa thạch 48 2.3.1. Phụ gia cho nhiên liệu xăng pha ethanol . 48 2.3.1.1. Phụ gia tăng trị số octan . 48 2.3.1.2. Nhóm phụ gia trợ tan và chống phân tách pha . 49 2.3.1.3. Nhóm phụ gia chống ăn mòn kim loại . 51 2.3.1.4. Nhóm phụ gia chống oxy hóa . 52 2.3.1.5. Nhóm các phụ gia khác 52 2.3.2. Phụ gia cho diesel pha ethanol . 53 2.3.2.1. Nhóm phụ gia cải thiện trị số xetan . 54 2.3.2.2. Nhóm phụ gia trợ tan và chống phân tách pha . 55 2.3.2.3. Nhóm phụ gia tăng độ nhớt 55 2.3.2.4. Nhóm phụ gia chống ăn mòn, mài mòn, chống đóng cặn . 56 2.4. Quy trình phát triển và thử nghiệm phụ gia cho hỗn hợp nhiên liệu sinh học và nhiên liệu hóa thạch 56 2.5. Kết luận chương 2 58 CHƯƠNG 3. PHÁT TRIÉN PHỤ GIA CHO NHIÊN LIỆU SINH HỌC E10 VÀ D5 60 3.1. Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm tối ưu tổ hợp phụ gia 60 3.1.1. Cơ sở tối ưu hóa .". . .". 60 3.1.2. Quy hoạch thực nghiệm 63 3.1.3. Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm trong tối ưu hóa tổ hợp phụ gia 68 3.2. Lựa chọn thành phần phụ gia cho nhiên liệu E10 và D5 bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm 72 3.2.1 .Tối ưu hóa thành phần phụ gia cho nhiên liệu E10 72 3.2.2. Tối ưu hóa thành phần phụ gia cho nhiên liệu D5 78 3.3. Đánh giá tính chất và chất lượng của nhiên liệu E10 và D5 khi có phụ gia. 82 3.3.1. Đánh giá tính chất và chất lượng nhiên liệu E10 khi có phụ gia 82 3.3.2. Đánh giá tính chất và chất lượng diesel D5 khi có phụ gia 87 3.4. Nhận xét về việc khảo sát nhiên liệu E10 và D5 không và có phụ gia 95 3.4.1. Nhận xét về việc khảo sát nhiên liệu E10 không và có phụ gia 95 3.4.2. Nhận xét về việc khảo sát nhiên liệu D5 không và có phụ gia 95 3.5. Kết luận chương 3 ' 96 CHƯƠNG 4. THỬ NGHIỆM PHỤ GIA VỚI NHIÊN LIỆU D5 VÀ E10 TRÊN ĐỘNG CƠ 97 4.1. Đối tượng và mục tiêu thử nghiệm 97 4.1.1. Động cơ D243 trên băng thử động lực cao 97 4.1.2. Động cơ Dayhan 97 trên băng thử T101D 97 4.1.3. Động cơ ô tô Ford Laser BPD-N 1.8 L trên băng thử động lực cao ETB 98 4.1.4. Xe máy Honda Wave 110 98 4.1.5. Mục tiêu thử nghiệm 99 4.2. Phương pháp và quy trình thử nghiệm 99 4.2.1. Thử nghiệm đối chứng trên động cơ và phương tiện 99 4.2.2. Thử nghiẹm ổn định va thử nghỉẹm bền 100 4.3. Trang thiết bị thử nghiệm 100 4.3.1. Thử nghiệm động cơ D243 và động cơ ô tô Ford Laser BPD-N 1.8L trên băng thư ETB 100 4.3.2. Băng thử Didacta T101D dùng thử nghiệm động cơ Dayhan 97 và Honda 110 . 102 4.3.3. Hệ thống thử nghiệm công suất và khí thải xe máy 102 4.4. Kết quả thử nghiệm phụ gia VPI-D cho nhiên liệu D5 103 4.4.1. Thử nghiệm đối chứng đánh giá tác động của phụ gia VPI-D đến tính năng kinh tế, kỹ thuật của động cơ 103 4.4.2. Thử nghiệm ổn định 100 giờ nhiên liệu có phụ gia VPI-D 105 4.5. Kết quả thử nghiệm phụ gia VPI-G cho nhiên liệu E10 109 4.5.1. Thử nghiệm đối chứng đánh giá tác động của phụ gia VPI-G đến tính năng kinh tế, kỹ thuật của động cơ và phương tiện 109 4.5.1.1. Dpi với động cơ Dayhan 97, 110 109 4.5.1.2. Đối với xe máy Honda Wave 110 111 4.5.1.3. Đối với động cơ ô tô Ford Laser BPD-N 1.8 L 112 4.5.2. Thử nghiệm ổn định động cơ sử dụng nhiên liệu E10 pha phụ gia VPI-G ' ' ' 114 4.5.2.1. Thử nghiệm ổn định nhiên liệu có phụ gia VPI-G trên động cơ Dayhan 97 114 4.5.2.2. Thử nghiệm đối chứng đánh giá tác động của phụ gia sau chạy ổn định 100 giờ trên xe Honda Wave 110 118 4.5.3. Đánh giá chung về tính năng kinh tế, kỹ thuật và khả năng ứng dụng của phụ gia VPI-G va VPI-D 120 4.5.3.1. Phụ gia VPI-D cho nhiên liệu D5 120 4.5.3.2. Phụ gia VPI-G cho nhiên liệu E10 121 4.6. Kết luận chương 4 121 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHị 123 Kết luận 123 Hướng nghiên cứu tiếp theo 123 1 MỞ ĐẦU Ngày nay thế giới đang phải đối mặt với một thực tế là nguồn nhiên liệu hóa thạch dầu mỏ đang có xu hướng ngày càng cạn dần. Bên cạnh đó, vấn đề ô nhiễm môi trường do khí thải từ các phương tiện giao thông vận tải cũng đang trở nên đáng báo động. Một hướng đang được tập trung nghiên cứu nhằm tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu khí thải độc hại từ động cơ là sử dụng nhiên liệu sinh học phối trộn cùng nhiên liệu hóa thạch, trong đó ethanol sinh học đang được quan tâm vì nguồn cung khá dồi dào và có khả năng pha trộn cho cả xăng và diesel. Tuy nhiên do ethanol pha vào nhiên liệu khoáng thì tính chất và chất lượng của nhiên liệu nhận được sẽ bị thay đổi so với ban đầu. Sự thay đổi nhiều hay ít phụ thuộc vào tỷ lệ ethanol so với nhiên liệu khoáng. Để thuận tiện trong cách gọi, hỗn hợp giữa nhiên liệu sinh học và nhiên liệu khoáng với các tỷ lệ pha khác nhau đều gọi chung là nhiên liệu sinh học (NLSH). Tuy nhiên, để phân biệt thì cần chỉ rõ tỷ lệ nhiên liệu sinh học/nhiên liệu khoáng và viết theo ký hiệu riêng. Ví dụ: nhiên liệu sinh học E5, E10, D5, D10, B10, B20 . còn gọi xăng sinh học E5 (hỗn hợp gồm 5% ethanol và 95% xăng khoáng), diesel sinh học D5 còn gọi là diesohol D5 (hỗn hợp gồm 5% ethanol và 95% diesel khoáng), diesel sinh học B10 (hỗn hợp gồm 10% bio diesel và 90% diesel) . Khi pha ethanol vào nhiên liệu khoáng thì sẽ có ảnh hưởng nhất định đến tính bền vững của hỗn hợp, tính đồng pha, tính ăn mòn kim loại . cho nên cần thiết phải có chất phụ gia phù hợp do vậy phụ gia trong hỗn hợp nhiên liệu có tác dụng cải thiện và bổ sung các tính chất cần thiết hoặc còn thiếu của hỗn hợp ethanol và nhiên liệu khoáng nhằm đảm bảo yêu cầu kỹ thuật cũng như chất lượng nhiên liệu. Có nhiều loại phụ gia với công dụng khác nhau nhưng có thể chia thành hai nhóm: nhóm phụ gia tính năng và nhóm phụ gia tồn trữ bảo quản. Khi phối trộn nhiên liệu khoáng với nhiên liệu sinh học mà ethanol là một trường hợp phổ biến, vai trò của phụ gia càng được quan tâm nhiều hơn. Phụ gia cho xăng pha ethanol và phụ gia cho diesel pha ethanol về mặt nguyên tắc cũng giống như phụ gia cho xăng và diesel khoáng. Tuy nhiên, do tính chất đặc thù của nhiên liệu hỗn hợp, trong thành phần phụ gia sử dụng cho các loại nhiên liệu này cần có sự thay đổi sao cho phù hợp. Trên thế giới, đã có những công ty, tổ chức nghiên cứu và sử dụng phụ gia cho nhiên liệu sinh học. Tại Việt Nam chưa có nghiên cứu cụ thể để tìm ra phụ gia có đủ các tính năng cho nhiên liệu sinh học để ứng dụng có hiệu quả. Để giảm bớt sự phụ thuộc vào dầu mỏ, than đá và bù đắp cho sự thiếu hụt năng lượng trong tương lai, năm 2007, Chính phủ đã phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” theo quyết định 177/2007/QĐ-TTg năm 2007. Mới đây, ngày 22/11/2012, Thủ tướng Chính phủ ký Quyết định số 53/2012/QĐ-TTg ban hành lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống. Theo đó: Đối với nhiên liệu E5: Từ ngày 01/12/2014, xăng được sản xuất, phối chế, kinh doanh để sử dụng cho phương tiện cơ giới đường bộ tiêu thụ trên địa bàn các tỉnh, thành phố: Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng, Cần Thơ, Quảng Ngãi, Bà Rịa – Vũng Tàu. Từ 01/12/2015 xăng được sản xuất, phối chế, kinh doanh để sử dụng cho phương tiện cơ giới đường bộ tiêu thụ trên toàn quốc. Đối với nhiên liệu E10: Từ ngày 01/12/2016, xăng được sản xuất, phối chế, kinh doanh để sử dụng cho phương tiện cơ giới đường bộ tiêu thụ trên địa bàn các tỉnh, thành phố: Hà Nội, Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng, Cần Thơ, Quảng Ngãi, Bà Rịa – Vũng Tàu. Từ 01/12/2017 xăng được sản xuất, phối chế, kinh doanh để sử dụng cho phương tiện cơ giới đường bộ tiêu thụ trên toàn quốc. Đặc biệt, trong thời gian chưa thực hiện áp dụng tỉ lệ phối trộn theo Lộ trình khuyến khích các tổ chức, cá nhân sản xuất, phối chế, kinh doanh xăng E5, E10, diesel B5 và B10. Nhiên liệu E5 được khẳng định về các tính năng kinh tế, kỹ thuật và đã được đưa vào sử dụng. Để đáp ứng được lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn NLSH với nhiên liệu khoáng của chính phủ thì việc nghiên cứu đưa nhiên liệu E10 vào sử dụng là rất cấp thiết. Với tỷ lệ pha này cần thiết phải có nghiên cứu cẩn thận để đảm bảo về an toàn cháy nổ, các tính năng kỹ thuật của nhiên liệu cũng như khi sử dụng cho động cơ thì việc nghiên cứu phát triển phụ gia cho loại nhiên liệu này cũng trở nên cấp thiết và có vai trò rất quan trọng. Song song với nghiên cứu pha ethanol vào xăng và đã thành công cho nhiên liệu E5 và tiến tới E10, ở nước ta cũng dần từng bước phát triển cho nhiên liệu diesel pha ethanol vì những lý do đã trình bày ở trên và do nước ta chưa sản xuất biodiesel ở quy mô công nghiệp mà mới ở mức thử nghiệm, nhỏ lẻ và giá thành cao nên thời điểm này chưa áp dụng phối trộn biodiesel với diesel khoáng, bước đầu nghiên cứu ứng dụng cho nhiên liệu diesohol D5 (tỷ lệ pha 5% ethanol và 95% diesel). Do đó việc nghiên cứu phát triển phụ gia cho loại nhiên liệu này cũng trở nên cấp thiết và có vai trò rất quan trọng.