Cải thiện hiệu quả cháy và giảm khí thải khi sử dụng phụ gia nano Cerium oxides cho dầu đốt lò (FO) sử dụng làm nhiên liệu động cơ

Download

HÓA - CHẾ BIẾN DẦU KHÍ

TẠP CHÍ DẦU KHÍ

Số 11 - 2018, trang 32 - 40

ISSN-0866-854X

CẢI THIỆN HIỆU QUẢ CHÁY VÀ GIẢM KHÍ THẢI KHI SỬ DỤNG

PHỤ GIA NANO CERIUM OXIDES CHO DẦU ĐỐT LÒ (FO)

SỬ DỤNG LÀM NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ

Huỳnh Minh Thuận, Nguyễn Hữu Lương, Nguyễn Thị Lê Hiền, Nguyễn Mạnh Huấn, Nguyễn Khánh Toản

Viện Dầu khí Việt Nam

Email: thuanhm.pvpro@vpi.pvn.vn

Tóm tắt

Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu sử dụng phụ gia chứa CeO₂với kích thước nano (Nano - CeO₂) để nâng cao hiệu quả cháy và giảm

khí thải ô nhiễm môi trường với dầu đốt lò (FO). FO trước và sau khi pha phụ gia Nano - CeO₂được thử nghiệm trên động cơ HANSHIN 6LU32

(động cơ diesel thủy 4 kỳ, có tăng áp) được sử dụng để làm động cơ chính lai chân vịt cho các loại tàu với tải trọng từ 1.500 - 2.500DWT. Kết

quả cho thấy, phụ gia nano CeO₂có hiệu quả trong việc cải thiện hiệu quả cháy và phụ thuộc vào kích thước hạt nano CeO₂. Với hàm lượng

sử dụng 50ppm thì công suất động cơ tăng lên khoảng 5 - 8% tùy thuộc chế độ tải và kích thước phụ gia CeO₂sử dụng (25nm, 50nm và

100nm). Tương tự, suất tiêu hao nhiêu liệu khi sử dụng phụ gia CeO₂giảm từ 7 - 12% so với FO không pha phụ gia. Đặc biệt, việc sử dụng

phụ gia CeO₂sẽ giúp giảm phát thải đáng kể (giảm 19% đối với CO, 18% đối với hydrocarbon, 12% đối với NO_xvà 11% đối với CO₂).

Từ khóa: Dầu đốt lò, cerium oxides, tiêu hao nhiên liệu, phụ gia, nano.

1. Giới thiệu

Việc sử dụng CeO₂với kích thước nano như là phụ gia

cải thiện hiệu quả cháy và giảm khí thải cho nhiên liệu

diesel được nghiên cứu và công bố trên thế giới [1 - 8],

tuy nhiên ứng dụng CeO₂cho FO chưa được đề cập và

nghiên cứu.

động. Hạt CeO₂có khả năng dễ chuyển trạng thái Ce³⁺/

Ce⁴⁺và đặc biệt không gây nổ. Hình 1a cho thấy CeO₂có

khả năng phản ứng thay đổi giữa 2 trạng thái oxy hóa khử

của Ce bởi oxy theo cơ chế hấp thụ - giải hấp. Hình 1b giải

thích vai trò CeO₂trong quá trình đốt: CeO₂hấp thụ oxy từ

NO do nhiệt độ cao của buồng đốt, sau đó để lại oxy này

cho muội than (C) hay CO sinh ra bởi quá trình đốt cháy

không hoàn toàn của hydrocarbon (HC) và chuyển chúng

thành các phân tử CO₂[11, 12].

Lợi ích của hạt nano CeO₂có được là nhờ vào đặc tính

nhiệt động học và tính chất hóa lý của các hạt nano CeO₂.

Theo nhiệt động học, trong hạt nano, số lượng lớn các

nguyên tử nằm ở bề mặt và tỷ lệ tăng lên khi giảm kích

thước. Sự đóng góp nguyên tử bề mặt tăng tương ứng

trong năng lượng tinh thể nano. Sự giảm kích thước dẫn

đến tăng năng lượng bề mặt và giảm nhiệt độ nóng chảy

tinh thể nano. Hạt nano CeO₂là chất dẫn hỗn hợp, tức là

chất dẫn điện tử, cũng như ion. Phần trống (hay sự thay

thế nguyên tử trong nút mạng) trong các hạt nano CeO₂

tăng khi giảm kích thước. Việc giảm kích thước hạt dẫn

đến nhiệt độ biến đổi đa hình và tham số mạng giảm, còn

tính chịu nén và độ tan tăng [6 - 10].

Ở Việt Nam, việc sử dụng CeO₂được thực hiện với một

số nghiên cứu áp dụng trên khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG)

hoặc diesel. Việc nghiên cứu ứng dụng hạt CeO₂để làm

phụ gia nâng cao hiệu quả cháy cho diesel ở trong nước

mới chỉ dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm. TS. Cù Huy

Thành và nhóm tác giả đã thực hiện đề tài“Nghiên cứu sử

dụng phụ gia diesel trên cơ sở hạt nano CeO₂cho phương

tiện cơ giới quân sự”. Năm 2014, thông qua dự án sản xuất

thử nghiệm cấp nhà nước “sản xuất thử nghiệm thiết bị

tạo hỗn hợp nhũ tương nước/dầu FO nhằm tiết kiệm

nhiên liệu khi khởi động và đốt kèm tại các nhà máy nhiệt

điện đốt than”, mã số KC05.DA03/11-15 thuộc Chương

trình KC05/11-15, các nhà khoa học thuộc Viện Khoa học

Năng lượng - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt

Nam đã nghiên cứu và làm chủ được công nghệ sản xuất

nhũ tương FO - nước, cho phép tiết kiệm năng lượng,

Bên cạnh đó, do tính dễ lưu trữ và dễ nhả oxy nên hạt

CeO₂có khả năng tích trữ O₂cũng như giải phóng O₂linh

Ngày nhận bài: 16/10/2017. Ngày phản biện đánh giá và sửa chữa: 16/10/2017 - 15/9/2018.

Ngày bài báo được duyệt đăng: 4/10/2018.

DẦU KHÍ - SỐ 11/2018

PETROVIETNAM

giảm thiểu ô nhiễm môi trường tại các cơ sở đốt sử dụng FO.

Tuy nhiên, giải pháp sử dụng phụ gia CeO₂cho FO chưa được

nghiên cứu trong nước và trên thế giới.

tích giãn nở mạnh, đột ngột phá vỡ những hạt dầu

thành các hạt nhỏ (1 - 10μm), mịn, khi đó diện tích bề

mặt tiếp xúc tăng lên, tiếp xúc với không khí tốt hơn,

quá trình cháy sẽ hoàn toàn hơn so với nhiên liệu FO

thông thường.

Hiệu quả quá trình cháy của một nhiên liệu trên một động

cơ sinh công được đánh giá bằng giá trị của công do động cơ

đó thực hiện được trong cùng một khoảng thời gian (gọi là

công suất). Do đó, hiệu quả quá trình cháy của FO thường được

thực hiện bằng cách so sánh công suất động cơ trên cùng một

tàu hoặc thuyền khi cùng sử dụng một lượng FO trong cùng

một khoảng thời gian nhất định. Qua nghiên cứu các điều kiện

quá trình cháy của FO trong lò đốt công nghiệp, cũng như các

cơ chế hình thành các chất ô nhiễm trong phát thải sau đốt

từ đó đưa ra những biện pháp nhằm nâng cao hiệu suất cháy

cũng như giảm thiểu các chất ô nhiễm này. Các giải pháp này

được chia thành 4 hướng sau: (i) Phát triển trong công nghệ

đốt, kiểm soát khí thải sau đốt; (ii) Cải thiện chất lượng nhiên

liệu hay sử dụng nhiên liệu thay thế; (iii) Thay đổi thành phần

nhiên liệu và (iv) Sử dụng phụ gia nhiên liệu.

Khi đốt cháy nhiên liệu nhũ tương nước trong FO

sẽ giảm lượng oxy dư, do đó, sẽ ức chế quá trình oxy

hóa V₂O₅- chất xúc tác cho sự hình thành SO₃và ức

chế sự lắng đọng của hợp chất vanadium gây thủng

lò đốt.

Việc thay đổi thành phần nhiên liệu FO khi tạo

thành hệ nhũ tương nhiên liệu nước/dầu FO có thể

giúp đạt được hiệu quả trong việc sử dụng nhiên

liệu. Tuy nhiên, hệ nhũ tương nước/dầu là hệ phân

tán của 2 chất lỏng dầu và nước không tan vào nhau

hoặc tan rất ít, khác nhau về bản chất phân cực, là

hệ cân bằng động nên không bền vững, dễ bị tác

động bởi các điều kiện của quá trình sử dụng, không

ổn định theo thời gian, dễ bị phân tách pha và hàm

lượng nước trong nhũ dầu thường không cao.

Việc cải thiện chất lượng hoặc thay thế nhiên liệu có thể

làm giảm khí thải SO_x, NO_xnếu hợp chất chứa N và S trong

nhiên liệu ít và khói thải dạng hạt (PM) giảm nếu dùng nhiên

liệu nhẹ hơn. Tuy nhiên, giải pháp về thay đổi công nghệ hay

nhiên liệu thay thế có nhược điểm khi phải thay đổi kết cấu

thiết bị lò đốt hay chi phí vận hành cao trong khi hiệu quả cháy

không cải thiện hơn. Những phát thải không có thông số xác

định cụ thể như kim loại được kiểm soát bằng cách kiểm soát

khí thải và cải tiến công nghệ đốt.

Giải pháp sử dụng phụ gia nhiên liệu cho FO để

nâng cao hiệu quả cháy đã và đang được nghiên cứu

phát triển trên thế giới [8, 9]. Phụ gia FOA #910® là

carboxylate lỏng chứa 40% Mn, là phụ gia được sử

dụng phổ biến và hiệu quả cho cải thiện sự cháy,

giảm khói, ngăn cản sự tạo thành SO₃trong quá trình

đốt cháy FO. Loại phụ gia này còn được sử dụng cho

than, dung dịch Mn phun vào than giúp cải thiện

sự cháy, giảm tạo thành SO₃và khói thải dạng hạt.

Phụ gia FOA #910® có thể được sử dụng bằng cách

đưa trực tiếp vào bể chứa dầu. Phụ gia Hex-Cem® là

sản phẩm chứa 8% Cr, được sử dụng rộng rãi cho FO

nhằm tăng cường hiệu quả cháy và giảm sự ăn mòn

các hợp kim trong turbine khí do bị nhiễm muối biển.

Giải pháp thay đổi thành phần nhiên liệu FO có thể được

thực hiện bằng việc tạo hệ nhũ tương nước với FO. Khác với

quá trình cháy của dầu thông thường, nhũ tương dầu nước có

quá trình nguyên tử hóa thứ cấp, tức là quá trình phân tán hạt

dầu (sau khi được phun vào buồng đốt) thành các hạt nhỏ hơn

dưới tác dụng của nhiệt độ có kích thước cỡ khoảng 10 - 20µm

đi vào buồng đốt. Đây gọi là quá trình nguyên tử hóa nhiên liệu

(làm cho hạt dầu đạt đến kích thước nguyên tử). Khi đốt cháy

nhiên liệu nhũ tương nước trong FO, hạt dầu được 2 lần“sương

hóa”. Khi nhiên liệu nhũ tương được phun vào buồng đốt hình

thành các hạt nhỏ dầu bao bọc lấy các hạt nước. Tiếp đó, do

nhiệt độ hóa hơi của chúng khác nhau, nước hóa hơi trước, thể

Mục tiêu của nghiên cứu này là đánh giá ảnh

hưởng của phụ gia chứa CeO₂đến suất tiêu hao nhiên

liệu và phát thải trên đối tượng là FO. Để đánh giá

và nhận định, nhóm tác giả tiến hành pha chế và sử

dụng CeO₂với kích thước ban đầu khác nhau và hàm

lượng khác nhau cho FO, các mẫu được tiến hành thử

nghiệm và so sánh với mẫu dầu không chứa phụ gia.

N₂

2NO

2Ce₂O₃

2. Nguyên vật liệu và phương pháp thử nghiệm

4CeO₂⇄ 2Ce₂O₃+ O₂

2.1. Nguyên vật liệu

4CeO₂

Trong nghiên cứu này, FO được sản xuất từ Nhà

máy Lọc dầu Dung Quất. CeO₂được mua từ nhà cung

cấp (Sigma Aldrich, APC) và được sử dụng trực tiếp,

CO₂

(a)

(b)

Hình 1. Nguyên tắc hoạt động của hạt nano CeO₂

DẦU KHÍ - SỐ 11/2018

HÓA - CHẾ BIẾN DẦU KHÍ

không cần qua xử lý. CeO₂nhận được dưới dạng

bột với các kích thước khác nhau và được mã hóa

như sau:

toán lượng CeO₂cần thiết đưa vào mẫu dầu ở các nồng độ khác

nhau từ hỗn hợp CeO₂50ppm. Sau khi pha, mẫu được lưu trữ và

gửi đi đo thử nghiệm động cơ.

- CeO₂- 25 (kích thước hạt < 25nm);

- CeO₂- 50 (kích thước hạt < 50nm);

- CeO₂- 100 (kích thước hạt ~ 50 - 105nm).

Để xem xét kích thước hạt của hỗn hợp dầu có chứa phụ gia

chứa CeO₂, thiết bị phân tích kích thước nano (Zetasizer Nano ZS)

được sử dụng. Kết quả phân tích với mẫu bổ sung 50ppm CeO₂

trong dầu có kích thước trong khoảng từ 75 - 95nm (Hình 2), đây

là một trong những yếu tố có thể ảnh hưởng đến cơ chế ảnh

hưởng của phụ gia đến hiệu quả cháy và sẽ được thảo luận ở các

phần tiếp theo.

2.2. Tổng hợp phụ gia chứa CeO₂và ký hiệu mẫu

trong nghiên cứu

Cân chính xác 0,1g CeO₂(với kích thước hạt

25nm, 50nm, 100nm) cho vào 3 bình tam giác

250ml. Cho tiếp 99,9g biodiesel vào để thu được

dung dịch 1.000ppm CeO₂. Biodiesel sử dụng

trong nghiên cứu này được tổng hợp từ dầu ăn

thải và có chất lượng đáp ứng Quy chuẩn QCVN

01:2015/BKHCN. Để hòa tan và phân tán nano

CeO₂và tạo dung dịch đồng nhất sử dụng máy

siêu âm (tần số 16 - 20hz, xung nhịp 0,7) để phân

tán đều CeO₂vào biodiesel trong khoảng thời

gian 30 phút.

2.4. Thiết bị thử nghiệm và phương pháp đánh giá

2.4.1. Thiết bị thử nghiệm

Đo đạc, phân tích và đánh giá các thông số kỹ thuật, mức tiêu

hao nhiên liệu của 2 mẫu FO và FO đã pha phụ gia CeO₂trên động

cơ HANSHIN 6LU32 (động cơ diesel thủy 4 kỳ, có tăng áp) được

sử dụng để làm động cơ chính lai chân vịt cho các loại tàu với tải

trọng từ 1.500D - 2.500DWT gồm các phần chính sau:

- Hệ thống phanh thủy lực Omega 1500 (AVL Zollner GmbH)

là thiết bị tạo tải cho động cơ. Thiết bị này thay cho chân vịt để tạo

tải cho động cơ;

2.3. Đánh giá độ ổn định của phụ gia và kết quả

đo kích thước hạt của hỗn hợp dầu và phụ gia

chứa CeO₂

- Hệ thống đo và kiểm soát khí thải CO₂, CO, HC và NO_xđược

đo bằng thiết bị chuyên dụng AVL AMA i60 R1 và bộ chia khí theo

tiêu chuẩn Tổ chức Hàng hải Thế giới (IMO);

Các mẫu phụ gia CeO₂được tổng hợp ở mục

2.2 với hàm lượng 1.000ppm CeO₂tiếp tục được

pha trộn với dầu để đảm bảo hàm lượng CeO₂

trong dầu khoảng 10 - 100ppm. Các mẫu sau khi

pha trộn được thử nghiệm ở điều kiện nhiệt độ

phòng để kiểm tra độ đồng nhất và ổn định của

dung dịch CeO₂. Kết quả cho thấy sau khoảng thời

gian 2 tháng các mẫu có hàm lượng CeO₂trên

50ppm xuất hiện kết tủa và lắng ở dưới đáy bình

tam giác. Các mẫu có hàm lượng thấp hơn hoặc

bằng 50ppm thì dung dịch đồng nhất và ổn định.

Do đó, ở nghiên cứu này, nhóm tác giả sử dụng

các dung dịch có hàm lượng CeO₂dưới 50ppm.

- Thiết bị đo áp suất cháy cực đại loại 2516A (Kistler);

- Các thiết bị khác gồm: nhiệt kế, áp kế, thiết bị đánh giá tình

trạng kỹ thuật của vòi phun, bơm cao áp, thiết bị đo sự tiêu hao

nhiên liệu, thiết bị nung nóng nhiên liệu, đồng hồ bấm giây.

Bảng 1 trình bày các thông số và đặc tính kỹ thuật của hệ

thống thiết bị thử nghiệm.

2.4.2. Quy trình và đánh giá kết quả thử nghiệm

Mỗi loại nhiên liệu được chạy thử nghiệm 3 nội dung với các

chế độ tải khác nhau (50%, 75% và 100%). Với mỗi loại nhiên liệu,

thiết bị chạy khoảng 60 phút để đạt độ ổn định và hâm nóng. Tiến

Để ký hiệu các mẫu CeO₂với các kích thước

khác nhau và tỷ lệ pha trộn vào FO cho các thử

nghiệm, nhóm tác giả tiến hành ký hiệu mẫu như

FO: mẫu trắng, không pha trộn phụ gia

FO-CeX-Y: mẫu FO có pha trộn với phụ gia CeO₂

với kích thước X (X = 25nm, 50nm, 100nm như đã

nêu ở mục 2.1) và Y là hàm lượng CeO₂được pha

trộn vào dầu (Y = 10, 20, 30, 40 và 50ppm). Tính

0.1

100

1000

10000

Kích thước hạt (nm)

Hình 2. Phân bố kích thước hạt của phụ gia chứa CeO₂

DẦU KHÍ - SỐ 11/2018

PETROVIETNAM

hành đo công suất và tiêu hao nhiên liệu và độ phát thải ở các chế

độ khác nhau.

10ppm được thể hiện ở Bảng 2. Nhìn chung, với

việc đưa vào khoảng 10ppm phụ gia CeO₂với các

kích thước hạt khác nhau thì công suất động cơ

và tiêu hao nhiên liệu không thay đổi nhiều so với

mẫu chưa cho phụ gia. Ở 100% tải, công suất chỉ

tăng lên khoảng 1,9 - 2,3% so với mẫu FO không

pha phụ gia. Tương tự, về tiêu hao nhiên liệu thì có

giảm so với mẫu dầu chưa pha phụ gia, tiết kiệm

được khoảng 0,8% với mẫu CeO₂có kích thước hạt

100nm, trong khi đó, với phụ gia có kích thước hạt

25nm và 50nm thì mức tiêu hao nhiên liệu lại giảm

nhiều hơn (từ 2,9 - 3,7%) so với mẫu FO chưa pha

phụ gia. Trường hợp ở chế độ tải 50%, kết quả cho

thấy tiêu hao nhiên liệu đạt cao nhất với CeO₂có

kích thước hạt 50nm, có thể kết quả nằm ở trong

khoảng sai số của phép đo.

Đánh giá kết quả thử nghiệm: Dùng phương pháp đánh giá

so sánh khách quan tương đối giữa FO không pha phụ gia và FO

có pha phụ gia với các nồng độ và kích thước khác nhau ứng với

mỗi chế độ thử. Tiêu chí đánh giá dựa trên công suất, suất tiêu hao

nhiên liệu và phát thải.

Ở nghiên cứu này, sai số của phép đo dưới 3% và nằm trong

khoảng cho phép của phép đo.

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng CeO₂và kích thước CeO₂đến

công suất và tiêu hao nhiên liệu

Kết quả thử nghiệm với hàm lượng phụ gia CeO₂đưa vào

Bảng 1. Thông số và đặc tính kythuật của hệ thống thử nghiệm

Để tiếp tục khảo sát, nhóm tác giả thử nghiệm

với hàm lượng phụ gia CeO₂50ppm và kết quả

được trình bày ở Bảng 3. Khi sử dụng FO có pha

phụ gia CeO₂, động cơ sẽ sinh ra công suất lớn hơn

so với khi sử dụng FO không pha phụ gia, giá trị

sai khác lớn nhất khoảng 5,5% ở chế độ tải 100%

và 6,3% với chế độ tải 50%. Trong khi đó, suất tiêu

hao nhiên liệu lại giảm đi rõ rệt, cụ thể, với FO có

pha phụ gia CeO₂với kích thước hạt 25nm có sự

sai khác đến 12,14% so với nhiên liệu không pha

phụ gia ở chế độ tải 50%. Với chế độ tải 75% và

100% thì tiêu hao nhiên liệu giảm từ 9,54 - 10,42%.

Kết quả cũng cho thấy phụ gia CeO₂có kích thước

hạt càng nhỏ thì cho hiệu quả tăng công suất và

giảm suất tiêu hao nhiên liệu càng lớn. Điều đó

giải thích qua việc tăng diện tích bề mặt tiếp xúc

khi kích thước hạt phụ gia giảm, từ đó tăng khả

năng cung cấp thêm oxy cho quá trình cháy dẫn

đến tăng khả năng đốt carbon của nhiên liệu. Kết

quả là tăng công suất và giảm suất tiêu hao nhiên

liệu. Kết quả phù hợp với cơ chế đề xuất của CeO₂

làm phụ gia cho nhiên liệu diesel.

Thông số

Động cơ HANSHIN 6LU32

Model

Giá trị

6LU32

Số xy lanh

Số vòng quay ứng với công suất định mức N = 340 vòng/phút

Công suất định mức

Số piston và hành trình

Tốc độ trung bình của piston

Áp suất cháy lớn nhất

Tỷ số nén

1.300 HP/970kW

4 piston, S = 510mm

W = 5,78m/s

90kG/cm²

II Hệ thống phanh thủy lực Omega 1500

Công suất cho phép (kW)

Vòng quay (vòng/phút)

Moment cho phép (Nm)

Nhiệt độ tối đa cho phép (^oC)

1.500

4.800

9.500

Bảng 2. Kết quả thử nghiệm với FO không pha phụ gia và FO có pha phụ gia CeO₂hàm lượng 10ppm

Tiêu hao nhiên liệu

Công suất (kW)

(g/kW.h)

Sai khác so với

Nhiên liệu

Sai khác so với

Giá trị

FO không pha Giá trị FO không pha

phụ gia

Chế độ tải định mức (100%)

945

967

964

963

241

232

234

239

FO-Ce25-10

FO-Ce50-10

FO-Ce100-10

Chế độ tải 50%

FO-Ce25-10

FO-Ce50-10

FO-Ce100-10

Chế độ tải 75%

2,3%

2,0%

1,9%

-3,7%

-2,9%

-0,8%

Khảo sát ở hàm lượng phụ gia 20ppm, 30ppm

và 40ppm với các kích thước hạt khác nhau cho 2

mức chế độ tải 100% và 50% để xem ảnh hưởng

đến công suất và suất tiêu hao nhiên liệu. Kết quả

ở Bảng 4 và 5 cho thấy công suất có ích tăng trong

khoảng 3 - 6% tùy theo kích thước hạt nano của

phụ gia CeO₂và chế độ tải. Bên cạnh đó, suất tiêu

hao nhiên liệu khi có phụ gia CeO₂cũng giảm khá

nhiều từ 2,1 - 8,9% so với khi sử dụng FO chưa pha

phụ gia.

460

480

479

480

280

270

268

279

4,3%

4,1%

4,3%

-3,6%

-4,3%

-0,4%

701

726

724

723

259

250

255

256

FO-Ce25-10

FO-Ce50-10

FO-Ce100-10

3,6%

3,3%

3,1%

-3,5%

-1,5%

-1,2%

DẦU KHÍ - SỐ 11/2018

HÓA - CHẾ BIẾN DẦU KHÍ

Bảng 3. So sánh kết quả thử nghiệm giữa FO không pha phụ gia và FO có pha phụ gia CeO₂hàm lượng 50ppm

Công suất (kW) Tiêu hao nhiên liệu (g/kW.h)

Nhiên liệu

Sai khác so với FO

không pha phụ gia

Sai khác so với FO

không pha phụ gia

Giá trị

Chế độ tải định mức (100%)

FO-Ce25-50

945

997

995

993

241

218

219

223

5,5%

5,3%

5,1%

-9,5%

-9,1%

-7,5%

FO-Ce50-50

FO-Ce100-50

Chế độ tải định mức (50%)

FO-Ce25-50

FO-Ce50-50

FO-Ce100-50

Chế độ tải định mức (75%)

FO-Ce25-50

FO-Ce50-50

460

489

487

483

280

246

251

259

6,3%

5,9%

5,0%

-12,1%

-10,4%

-7,5%

701

741

739

737

259

232

235

239

5,7%

5,4%

5,1%

-10,4%

-9,3%

-7,7%

FO-Ce100-50

Bảng 4. Kết quả công suất và tiêu hao nhiên liệu phụ thuộc vào kích thước hạt và hàm lượng phụ gia ở chế độ tải 100%

Công suất (kW) Tiêu hao nhiên liệu (g/kW.h)

Nhiên liệu

Sai khác so với FO

không phụ gia

Sai khác so với FO

không phụ gia

Giá trị

Chế độ tải định mức (100%)

FO-Ce25-20

945

980

975

972

241

229

231

236

3,7%

3,2%

2,9%

-5,0%

-4,1%

-2,1%

FO-Ce50-20

FO-Ce100-20

Chế độ tải định mức (100%)

FO-Ce25-30

FO-Ce50-30

FO-Ce100-30

Chế độ tải định mức (100%)

FO-Ce25-40

FO-Ce50-40

945

982

975

974

241

225

231

230

3,9%

3,2%

3,1%

-6,6%

-4,1%

-4,6%

945

990

980

982

241

220

228

229

4,8%

3,7%

3,9%

-8,7%

-5,4%

-5,0%

FO-Ce100-40

Bảng 5. Kết quả công suất và tiêu hao nhiên liệu phụ thuộc vào kích thước hạt và hàm lượng phụ gia ở chế độ tải 50%

Công suất (kW) Tiêu hao nhiên liệu (g/kW.h)

Nhiên liệu

Chế độ tải 50%

Sai khác so với FO

không phụ gia

Sai khác so với FO

không phụ gia

Giá trị

460

487

485

483

280

265

270

276

FO-Ce25-20

FO-Ce50-20

FO-Ce100-20

Chế độ tải 50%

FO-Ce25-30

FO-Ce50-30

FO-Ce100-30

Chế độ tải 50%

5,9%

5,4%

5,0%

-5,4%

-3,6%

-1,4%

460

486

484

483

280

261

278

276

5,7%

5,2%

5,0%

-6,8%

-4,7%

-1,4%

460

486

483

482

280

255

260

271

FO-Ce25-40

FO-Ce50-40

FO-Ce100-40

5,7%

5,0%

4,8%

-8,9%

-7,1%

-3,2%

DẦU KHÍ - SỐ 11/2018

PETROVIETNAM

Dựa trên kết quả thử nghiệm, mối

liên hệ gần tuyến tính giữa công suất tăng

thêm hoặc tiêu hao nhiên liệu giảm với

hàm lượng phụ gia chứa nano CeO₂(có

kích thước hạt 25nm, 50nm và 100nm) ở

2 chế độ tải 100% và 50% được thể hiện ở

Hình 3 - 5. Qua đó, với công suất tải 100%

thì mối liên hệ tìm được phù hợp với quan

hệ tuyến tính (với R²> 0,84) cho cả công

suất tăng thêm và giảm tiêu hao nhiên

liệu. Trong khi đó, mối quan hệ dạng bậc

2 phù hợp với chế độ tải 50%. Có thể thấy,

với chế độ tải 50% thì động cơ làm việc ở

chế độ thấp do đó mức độ ảnh hưởng của

phụ gia không được tuyến tính so với chế

độ tải cao là phù hợp. Mức độ ảnh hưởng

của phụ gia thông qua việc cung cấp oxy

cho quá trình cháy và khi ở chế độ tải cao

thì mức độ ảnh hưởng càng ổn định và

phù hợp với công suất động cơ. Ngoài ra,

mức độ ảnh hưởng việc tăng công suất và

giảm tiêu hao nhiên liệu của phụ gia rõ

rệt với lượng cung cấp phụ gia thấp (20

- 30ppm). Tuy nhiên, sau khi tăng lượng

phụ gia trong nhiên liệu thì mức độ tăng/

giảm không được tuyến tính như với

lượng phụ gia thấp. Vì mức độ ảnh hưởng

phụ thuộc vào lượng oxy cung cấp từ phụ

gia cho quá trình cháy.

Côngsuất - tải 100%

Côngsuất - tải 50%

Tiêu hao nhiên liệu - tải 100%

Tiêu haonhiên liệu - tải 50%

y = -0,0051x²+ 0,3691x

R² = 0,8818

y = 0,1238x

R² = 0,8377

-2

-4

-6

-8

-10

-12

-14

Lượng phụ gia (ppm)

y = -0,211x

R² = 0,9301

y = 0,0007x²- 0,2664x

R² = 0,9754

Hình 3. Mối liên hệ giữa công suất, tiêu hao nhiên liệu với lượng phụ gia chứa CeO₂- 25nm

Côngsuất - tải 100%

Tiêu hao nhiên liệu - tải 100%

Công suất - tải 50%

Tiêu haonhiên liệu - tải 50%

y = -0,0047x²+ 0,3367x

R² = 0,8422

y = 0,1077x

R² = 0,8524

-2

-4

-6

-8

-10

-12

Lượng phụ gia (ppm)

y = -0,1647x

R² = 0,8854

y = -0,0001x²- 0,1869x

R² = 0,8723

Kết quả trên cho thấy, để công suất

tăng lên trên 5% thì lượng phụ gia đưa

vào FO khoảng 45ppm và 50ppm tương

ứng với phụ gia có kích thước hạt 25nm

và 50nm. Trong khi đó, phụ gia chứa CeO₂

có kích thước hạt 100nm thì cần lượng

lớn hơn 50ppm. Tuy nhiên, do giới hạn về

hàm lượng CeO₂đưa vào FO (≤ 50ppm),

do đó, phụ gia chứa CeO₂có kích thước

hạt 25nm hoặc 50nm được lựa chọn nếu

mục tiêu cần đạt là tăng công suất lớn

hơn 5%. Tương tự, để giảm tiêu hao nhiên

liệu khoảng 5% thì lượng phụ gia đưa vào

khoảng 25ppm, 30ppm và 35ppm tương

ứng với phụ gia chứa CeO₂kích thước

25nm, 50nm và 100nm.

Hình 4. Tương quan giữa công suất, tiêu hao nhiên liệu với lượng phụ gia chứa CeO₂- 50nm

Công suất - tải 100%

Tiêu hao nhiên liệu - tải 100%

Công suất - tải 50%

Tiêu hao nhiên liệu - tải 50%

y = -0,0051x²+ 0,3403x

R² = 0,8297

y = 0,1062x

R² = 0,8409

Lượng phụ gia (ppm)

-2

-4

-6

-8

-10

y = -0,0036x²+ 0,0436x

R² = 0,9395

y = -0,1383x

R² = 0,9605

Với mối liên hệ được thiết lập như

trên, phụ gia chứa CeO₂có kích thước

hạt càng nhỏ thì hiệu quả giảm tiêu hao

Hình 5. Tương quan giữa công suất, tiêu hao nhiên liệu với lượng phụ gia chứa CeO₂- 100nm

DẦU KHÍ - SỐ 11/2018

HÓA - CHẾ BIẾN DẦU KHÍ

nhiên liệu và tăng công suất nhiều hơn

so với CeO₂có kích thước hạt lớn, khi đó

hàm lượng phụ gia chứa CeO₂có kích

thước hạt nhỏ hơn đưa vào ít hơn. Do đó,

tùy theo mục tiêu về tăng công suất và

giảm tiêu hao nhiên liệu, để lựa chọn phụ

gia chứa CeO₂có kích thước hạt phù hợp

và lượng phụ gia đưa vào FO tương ứng.

Hệ sốtăngcông suất - tải 100%

Hệ số giảm tiêu hao nhiên liệu - tải 100%

0,15

0,1

0,05

y = -0,0002x + 0,1246

R² = 0,6464

100

120

Kích thước phụ gia (ppm)

-0,05

-0,1

Để có sơ bộ về định lượng, nhóm tác

giả xác định mối tương quan giữa hệ số

tuyến tính tăng công suất hoặc giảm tiêu

hao nhiên liệu với chế độ tải 100% được

thể hiện ở Hình 6. Qua đó, có thể nội suy

hệ số tuyến tính và ước tính sơ bộ công

suất tăng thêm hoặc tiêu hao nhiên liệu

giảm cho các phụ gia CeO₂có kích thước

hạt khác nhau. Kết quả cũng cho thấy

mức độ ảnh hưởng của việc tăng công

suất với kích thước phụ gia không rõ rệt

so với việc giảm tiêu hao nhiên liệu. Mức

độ tương quan hệ số tăng công suất và

kích thước phụ gia không cao (với R²=

0,65), trong khi mức độ tương quan hệ số

giảm tiêu hao nhiên liệu khá ổn định (với

R²= 0,88). Qua đó, việc tăng công suất

với phụ gia chứa CeO₂ít thay đổi so với

kích thước phụ gia. Có thể nói hệ số tăng

công suất không thay đổi nhiều với kích

thước phụ gia trong giới hạn thử nghiệm

25 - 100ppm và tăng 5% công suất có thể

là giới hạn cho việc sử dụng hỗn hợp phụ

gia chứa CeO₂từ 25 - 100ppm. Trong khi

đó, hỗn hợp phụ gia chứa CeO₂khá phù

hợp với mục đích giảm tiêu hao nhiên

liệu.

y = 0,0009x - 0,2242

R² = 0,8844

-0,15

-0,2

-0,25

Hình 6. Tương quan giữa hệ số tăng công suất, giảm tiêu hao nhiên liệu với kích thước phụ gia

FO-Ce25-50

FO-Ce50-50

FO-Ce100-50

1200

1000

800

600

400

200

1135

976

948

920

894

810

798

786

368

330

326

302

Khí thải

Hình 7. So sánh lượng khí thải (CO, NO_x, HC) với FO không pha phụ gia và FO có pha phụ gia CeO₂

với hàm lượng 50ppm

FO-Ce25-50

FO-Ce50-50

FO-Ce100-50

44000

Về phạm vi áp dụng đối với kích

thước phụ gia trong khoảng giới hạn đã

thử nghiệm 25 - 100nm. Tuy nhiên, tùy

theo mục đích của việc sử dụng phụ gia

(tăng/giảm bao nhiêu %) và hàm lượng

CeO₂pha vào FO phù hợp (≤ 50ppm) thì

kích thước phụ gia được chọn thông qua

phương trình hệ số tương quan (Hình 6).

Ví dụ, để giảm tiêu hao nhiên liệu 10%

thì cần chọn phụ gia chứa CeO₂có kích

thước hạt 25nm với hàm lượng bổ sung

gần 50ppm, trong khi đó để giảm tiêu

hao nhiên liệu 7% thì với hàm lượng bổ

42765

42000

40000

38000

36000

34000

39400

38146

37892

Hình 8. So sánh lượng khí thải CO₂với FO không pha phụ gia và FO pha phụ gia CeO₂với hàm lượng 50ppm

DẦU KHÍ - SỐ 11/2018

PETROVIETNAM

sung CeO₂tương tự (gần 50ppm) chỉ cần chọn phụ gia

chứa CeO₂có kích thước hạt 90nm. Qua đó cũng cho

thấy để tiếp tục mở rộng giới hạn tăng/giảm cần có thử

nghiệm với phụ gia chứa CeO₂kích thước hạt nhỏ hơn

25nm và được thực hiện ở các nghiên cứu tiếp theo.

phụ gia nano CeO₂có hiệu quả trong việc cải thiện hiệu

quả cháy của nhiên liệu FO. Mức độ hiệu quả của phụ gia

phụ thuộc vào kích thước hạt nano CeO₂, hàm lượng phụ

gia sử dụng và chế độ tải trọng của động cơ trong điều

kiện thực hiện thử nghiệm. Cụ thể, với hàm lượng phụ gia

phù hợp khoảng 50ppm thì công suất động cơ tăng lên

trên 5 - 8% tùy thuộc chế độ tải và kích thước phụ gia CeO₂

sử dụng (25nm, 50nm và 100nm). Tương tự, suất tiêu hao

nhiên liệu khi sử dụng phụ gia CeO₂sẽ giảm khá cao, từ 7

- 12% so với FO không pha phụ gia. Đặc biệt, việc sử dụng

phụ gia CeO₂sẽ giúp thành phần phát thải giảm đáng kể

(giảm 19% đối với CO, 18% đối với HC, 12% đối với NO_x

và 11% đối với CO₂). Như vậy, khi sử dụng phụ gia nano

CeO₂cho nhiên liệu FO, ngoài tác dụng cải thiện hiệu suất

động cơ thì còn có thêm lợi ích về môi trường do việc giúp

giảm phát thải trong quá trình đốt cháy nhiên liệu. Dựa

trên mối liên hệ được thiết lập, tùy theo mục tiêu đặt ra

ban đầu, có thể lựa chọn phụ gia chứa CeO₂kích thước

hạt khác nhau cũng như lượng phụ gia đưa vào. Kết quả

nghiên cứu mở ra hướng mới trong việc cải thiện hiệu quả

cháy và giảm tác động đến môi trường trong tương lai.

3.2. Ảnh hưởng phụ gia CeO₂đến giảm phát thải

Hiệu quả quá trình đốt cháy cũng được thể hiện qua

thành phần khí thải thu được như trong Hình 7 và 8. Kết

quả thử nghiệm phân tích khí thải cho thấy lượng khí thải

giảm đáng kể. Với trường hợp 100% tải, lượng CO giảm từ

14 - 18% tùy theo kích thước phụ gia CeO₂sử dụng. Lượng

NO_xgiảm từ 9 - 12%, lượng HC cũng giảm từ 10 - 18%. CO

trong khí thải giảm đáng kể, qua đó cho thấy CeO₂đã xúc

tiến quá trình oxy hóa làm giảm đáng kể hàm lượng CO,

đồng thời tính chất khử của CeO₂cũng cho thấy quá trình

chuyển hóa NO_xthành N₂. Lượng HC và CO trong khí thải

giảm đáng kể cho thấy quá trình cháy hiệu quả hơn.

Từ các kết quả thử nghiệm trên động cơ, có thể thấy,

khi sử dụng FO hàm lượng phụ gia 50ppm, công suất

động cơ đã tăng lên trên 5% với chế độ tải định mức.

Ngoài ra, với chế độ tải 50% thì công suất có thể tăng lên

đến 6,3%. Song song với sự cải thiện về công suất động cơ

thì tiêu thụ nhiên liệu cũng giảm đáng kể, có thể tiết kiệm

đến 12%. Đồng thời, quan trọng hơn là lượng khí thải đã

giảm rõ rệt, từ 8 - 19% tùy theo loại khí thải và kích thước

phụ gia CeO₂sử dụng.

Tài liệu tham khảo

1. Birgit K.Gaiser, Teresa F.Fernandes, Mark Jepson,

Jamie R.Lead, Charles R.Tyler, Vicki Stone. Assessing

exposure, uptake and toxicity of silver and cerium

dioxide nanoparticles from contaminated environments.

Environment Health. 2009; 8(1).

Với kết quả trên, việc bổ sung phụ gia chứa các hạt

nano CeO₂có khả năng cải thiện đặc tính của nhiên liệu

FO khi cháy trong động cơ. Cụ thể, hạt nano CeO₂trong

nhiên liệu giúp quá trình oxy hóa muội than trên thành

buồng đốt của động cơ và các hydrocarbon có trong khí

thải của động cơ ở vùng nhiệt độ thấp tốt hơn tạo điều

kiện cho động cơ hoạt động hiệu quả hơn. Trong điều

kiện động cơ/lò đốt khi ít nhiên liệu và dư oxy, sẽ thu hồi

lượng oxy thừa trong khí thải và khí NO_x, khử NO_xthành

N₂không gây độc hại. Trong điều kiện dư nhiên liệu và ít

O₂, CeO₂nhả O₂để đốt cháy nhiên liệu làm cho nhiên liệu

cháy hoàn toàn hơn, ít tạo thành sản phẩm phụ CO_xvà

CH_xdư, làm tăng hiệu suất lò đốt hay động cơ.

2. Paul JA Borm, David Robbins, Stephan Haubold,

Thomas Kuhlbusch, Heinz Fissan, Ken Donaldson, Roel

Schins, Vicki Stone, Wolfgang Kreyling, Jurgen Lademann,

Jean Krutmann, David Warheit, Eva Oberdorster. The

potential risks of nanomaterials: A review carried out for

ECETOC. Particle and Fibre Toxicolog. 2006.

3. Bary Park, Patricia Martin, Chris Harris, Robert

Guest, Andrew Whittingham, Peter Jenkinson, John

Handley. Initial in vitro screening approach to investigate the

potential health and environmental hazards of Enviroxtrade

mark - a nanoparticulate cerium oxide diesel fuel additive.

Particle and Fibre Toxicolog. 2007.

4. Health Eﬀects Institute. Evaluation of human health

risk from cerium added to diesel fuel. Communication 9.

2001.

4. Kết luận

Phụ gia chứa CeO₂với kích thước hạt nano trong

khoảng 75 - 95nm được tổng hợp. Kết quả đánh giá thông

số công suất, suất tiêu hao nhiên liệu, thành phần khí phát

thải của động cơ diesel tàu thủy HANSHIN 6LU32 chạy

bằng FO và FO sau khi pha phụ gia được đánh giá so sánh

thông qua tỷ lệ tăng (+) hoặc giảm (-). Kết quả cho thấy,

5. Heejung Jung, David B.Kittelson. Measurement of

electrical charge on diesel particles. Aerosol Science and

Technology. 2005; 39 (12): p. 1129 - 1135.

6. Gareth Wakeﬁeld. Fuel or fuel additive containing

DẦU KHÍ - SỐ 11/2018

HÓA - CHẾ BIẾN DẦU KHÍ

doped cerium oxide nanoparticles. US Patent US 7169196

B2. 2007.

10. Tiziano Montini, Michele Melchionna, Matteo

Monai, Paolo Fornasiero. Fundamentals and catalytic

applications of CeO₂- based materials. Chemical Reviews.

2016; 116(10): p. 5987 - 6041.

7. Roger Scattergood. Cerium oxide nanaparticles as

fuel additives. US Patent US 2006/0254130 A1. 2006.

11. R.Sathiyamoorthi, M.Puviyarasan, B.Bhuvanesh

Kumar, D.Breslin Joshua. Eﬀect of CeO₂nano additive on

performance and emission characterisics of diesel engine

fuelled by Neem oil - biodiesel. International Journal of

Chemical Sciences. 2016; 14: p. 473 - 484.

8. Flemming R.Cassee, Erna C.Van Balen, Charanjeet

Singh, David Green, Hans Muijser, Jason Weinstein, Kevin

Dreher. Exposure, health and ecological eﬀects review of

engineered nanoscale cerium and cerium oxide associated

with its use as a fuel additive. Critical Reviews in Toxicology.

2011; 41(3): p. 213 - 229.

12. Sagar Gunturkar, Gund Sagar, C.Srinidhi.

Performance and emission eﬀect of nanofuels additives

for diesel in diesel engine - a review study. International

Research Journal of Engineering and Technology (IRJET).

2017; 4(4): p. 478 - 480.

9. Barry Park, Kenneth Donaldson, Rodger Duﬃn,

Lang Tran, Frank Kelly, Ian Mudway, Jean-Paul Morin,

Robert Guest, Peter Jenkinson, Zissis Samaras, Myrsini

Giannouli, Chariton Kouridis, Patricia Martin. Hazard and

risk assessment of a nanoparticulate cerium oxide-based

diesel fuel additive - A case study. Inhalation Toxicology.

2008; 20(6): p. 547 - 566.

NANOPARTICLE CERIUM OXIDES AS FUEL OIL ADDITIVE IN DIESEL

ENGINE FOR CLEANER EMISSIONS AND LOWER FUEL CONSUMPTION

Huynh Minh Thuan, Nguyen Huu Luong, Nguyen Thi Le Hien, Nguyen Manh Huan, Nguyen Khanh Toan

Vietnam Petroleum Institute

Email: thuanhm.pvpro@vpi.pvn.vn

Summary

In this study, the use of CeO₂nanoparticles for fuel oil (FO) additive to increase combustion efficiency and to decrease soot emissions

was systematically investigated. CeO₂containing FO and FO were tested in HANSHIN 6LU32 engine (diesel engine) which is used for 1,500

DWT - 2,500 DWT ships. The result revealed that CeO₂nanoparticles is really effective for lower fuel consumption and cleaner emissions

depending on CeO₂nanoparticle size and used content. The addition of only 50ppm into the FO led to an increase of power by app. 5 - 8%.

Similarly, energy consumption for CeO₂containing FO was reduced significantly by 7 - 12% compared to that of FO. More importantly, the

use of CeO₂resulted in a vast decrease in emission (e.g. 19% CO, 18% hydrocarbon, 12% NO_xand 11% CO₂).

Key words: Fuel oil, cerium oxides, combustion efficiency, emissions, additive, nanoparticle.

DẦU KHÍ - SỐ 11/2018

9 trang yennguyen 16/04/2022 1380

Download

Bạn đang xem tài liệu "Cải thiện hiệu quả cháy và giảm khí thải khi sử dụng phụ gia nano Cerium oxides cho dầu đốt lò (FO) sử dụng làm nhiên liệu động cơ", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

File đính kèm:

cai_thien_hieu_qua_chay_va_giam_khi_thai_khi_su_dung_phu_gia.pdf