Luận án tiến sĩ: Sử dụng biodiesel từ mỡ cá da trơn cho động cơ tàu cá - Trường Đại học Nha Trang

Nhu cầu năng lượng trong ngành khai thác thủy hải sản ngày càng tăng cao. Đội tàu cá Việt Nam tiêu thụ lượng dầu diesel khoáng khổng lồ mỗi năm. Giá dầu thế giới biến động liên tục gây khó khăn cho hoạt động bám biển của ngư dân. Cùng với đó, các quy định hàng hải quốc tế về kiểm soát ô nhiễm môi trường biển ngày càng khắt khe. Phát triển nhiên liệu sinh học cho tàu thủy trở thành giải pháp cấp bách và mang tính chiến lược. Biodiesel từ mỡ cá có nguồn gốc tái tạo và an toàn sinh thái. Loại nhiên liệu này có thể sử dụng trực tiếp trên động cơ diesel hiện hữu mà không cần cải tạo kết cấu cơ khí phức tạp. Việc tự chủ nguồn năng lượng tái tạo giúp phát triển kinh tế biển bền vững.

Mỡ cá thô chứa nhiều axit béo tự do và tạp chất hữu cơ phức tạp. Quy trình sản xuất biodiesel đòi hỏi các công đoạn xử lý sơ bộ nghiêm ngặt. Phản ứng transester hóa mỡ cá là phương pháp then chốt để chuyển hóa triglyceride thành metyl este. Quá trình này sử dụng cồn metylic cùng xúc tác kiềm hoặc axit ở nhiệt độ thích hợp. Phản ứng hóa học bẻ gãy mạch phân tử lớn thành các mạch este đơn giản hơn. Sản phẩm thu được gồm este metyl tinh khiết và phụ phẩm glycerin công nghiệp. Biodiesel sau tinh chế đạt các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt về nhiên liệu sinh học động cơ. Độ nhớt và khối lượng riêng của mỡ giảm về mức tiệm cận dầu diesel khoáng thông thường.

Chỉ số cetane và độ nhớt động học là hai thông số quyết định chất lượng tự bốc cháy của nhiên liệu. Biodiesel mỡ cá nguyên chất B100 có chỉ số cetane cao hơn dầu DO thông thường từ 5 đến 8 đơn vị. Trị số cetane cao giúp rút ngắn thời gian cháy trễ trong xi lanh. Động cơ khởi động dễ dàng và vận hành êm dịu hơn ở mọi dải tốc độ. Độ nhớt động học của B100 cao hơn diesel khoáng khoảng 1.5 đến 2 lần ở nhiệt độ phòng. Độ nhớt cao hỗ trợ bôi trơn hệ thống bơm cao áp và kim phun nhiên liệu. Tuy nhiên, độ nhớt lớn có thể làm giảm khả năng xé tơi tia nhiên liệu khi nhiệt độ môi trường xuống thấp. Việc phối trộn este với dầu DO giúp đưa độ nhớt về ngưỡng tối ưu.

Nhiệt trị thấp của biodiesel mỡ cá đạt khoảng 39.5 đến 40.5 MJ/kg. Mức nhiệt trị này thấp hơn dầu diesel khoáng truyền thống khoảng 5 đến 9%. Sự chênh lệch xuất phát từ sự hiện diện của nguyên tử oxy liên kết trong phân tử este. Khối lượng riêng của biodiesel lớn hơn DO khoảng 2 đến 3%. Bù lại, nhiệt độ chớp lửa của biodiesel vượt mốc 130 độ C. Con số này cao hơn nhiều so với mức 55 đến 65 độ C của dầu diesel thương phẩm. Điểm chớp cháy cao mang lại tính an toàn vượt trội trong quá trình bảo quản và vận chuyển trên tàu biển. Nguy cơ cháy nổ trong hầm máy tàu cá giảm đi rõ rệt khi sử dụng nhiên liệu sinh học.

Mô hình KIVA-3V mô phỏng chi tiết trường vận tốc và phân bố hạt sương nhiên liệu trong buồng cháy. Dữ liệu đầu vào sử dụng kết cấu buồng đốt hình chỏm cầu của động cơ Cummins NTA855. Khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp B10, áp suất phun tăng nhẹ do độ nhớt nhiên liệu cao. Chùm tia phun duy trì động lượng tốt hơn trong môi trường khí nén áp suất lớn. Thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu diễn ra sớm hơn khoảng 0.5 đến 1 độ góc quay trục khuỷu. Hiện tượng này xuất hiện do sóng áp suất truyền nhanh hơn trong môi trường chất lỏng có khối lượng riêng lớn. Sự phân bố mật độ nhiên liệu trong buồng cháy vẫn đạt độ đồng đều cao cho quá trình hòa trộn.

Đồ thị chỉ thị áp suất cháy trong xi lanh có sự biến thiên tích cực khi chuyển đổi nhiên liệu. Do thời gian cháy trễ ngắn hơn, pha cháy sớm diễn ra nhanh và êm dịu. Tốc độ tăng áp suất cực đại dP/dphi giảm nhẹ so với khi chạy dầu diesel nguyên chất. Động cơ giảm rung giật và tiếng ồn cơ khí trong quá trình hoạt động. Đỉnh áp suất cháy cực đại pmax khi chạy B10 tương đương hoặc cao hơn dầu khoáng khoảng 1.2%. Tốc độ tỏa nhiệt biểu kiến đạt cực đại sớm hơn. Quá trình cháy khuếch tán kéo dài hơn một chút do sự bay hơi chậm của các giọt nhiên liệu nặng. Quá trình cháy tổng thể diễn ra hoàn thiện hơn nhờ lượng oxy hòa tan dồi dào.

Nghiên cứu thử nghiệm 5 phương pháp hòa trộn nhiên liệu khác nhau trong điều kiện phòng thí nghiệm. Các phương pháp gồm hòa trộn trên đường ống, trong đường ống, hòa trộn văng tóe, trung gian và hòa trộn khuấy. Phương pháp hòa trộn khuấy cơ học kết hợp gia nhiệt sơ bộ cho độ ổn định dung dịch cao nhất. Các hạt este phân tán hoàn toàn vào nền hydrocacbon của dầu DO. Hỗn hợp B5, B10 và B20 được kiểm tra độ bền nhũ tương qua nhiều chu kỳ nhiệt độ. Kết quả cho thấy hỗn hợp duy trì trạng thái đồng nhất sau nhiều tuần lưu trữ trong két nhiên liệu tàu cá. Độ ổn định oxy hóa của nhiên liệu pha trộn đáp ứng tốt điều kiện khí hậu nóng ẩm biển đảo.

Động cơ Cummins NTA855 sử dụng hệ thống cung cấp nhiên liệu PT đặc trưng của dòng máy thủy hạng nặng. Hệ thống này kiểm soát lượng phun dựa trên áp suất đường cấp và thời gian mở kim vòi phun. Thử nghiệm thực tế với nhiên liệu B5 và B10 cho thấy vòi phun làm việc chính xác và ổn định. Độ mài mòn piston bơm cao áp giảm đáng kể nhờ đặc tính bôi trơn tự nhiên của este mỡ cá. Không xuất hiện hiện tượng kẹt kim phun hoặc đóng cặn muội than tại lỗ tia. Gioăng cao su và ống dẫn nhiên liệu tổng hợp không bị trương nở hay rò rỉ trong suốt quá trình thử tải. Tỷ lệ B10 được xác định là ngưỡng phối trộn tối ưu nhất cho động cơ.

Khi chuyển từ dầu DO sang nhiên liệu pha trộn B5, suất tiêu hao nhiên liệu BSFC chỉ tăng nhẹ từ 0.8% đến 1.5%. Với hỗn hợp B10, BSFC tăng trung bình từ 1.8% đến 2.6% trên toàn dải phụ tải làm việc. Đối với hỗn hợp B20, mức tăng BSFC đạt khoảng 4.5% đến 5.2%. Mức tăng suất tiêu hao nhiên liệu hoàn toàn tương xứng với độ suy giảm nhiệt trị của hỗn hợp pha trộn. Ở chế độ đầy tải định mức 1800 vòng/phút, suất tiêu hao nhiên liệu của B10 duy trì ở mức 212 g/kWh so với 208 g/kWh của DO. Sự gia tăng này không làm giảm đáng kể bán kính hoạt động của tàu cá trên biển. Chi phí vận hành tổng thể vẫn được đảm bảo nhờ giá mỡ cá thấp.

Hiệu suất nhiệt động cơ diesel phản ánh mức độ chuyển hóa nhiệt năng từ nhiên liệu thành cơ năng hữu ích. Khi sử dụng nhiên liệu B5 và B10, hiệu suất nhiệt có ích tăng từ 0.5% đến 1.2% so với chạy dầu DO khoáng. Nguyên nhân chủ yếu do oxy liên kết trong phân tử este thúc đẩy quá trình cháy kiệt nhiên liệu. Lượng nhiên liệu chưa cháy thoát theo khí xả giảm đi rõ rệt. Tỷ trọng tổn thất nhiệt truyền qua thành xi lanh và nước làm mát giữ ở mức ổn định. Khả năng sinh công của động cơ tại các chế độ khai thác biển không bị suy giảm. Động cơ duy trì công suất danh định 400 mã lực liên tục mà không gặp hiện tượng quá nhiệt buồng cháy.

Khi sử dụng hỗn hợp B10, nồng độ khí độc carbon monoxide CO giảm từ 12% đến 18% so với dầu DO. Hàm lượng hydrocacbon chưa cháy HC giảm từ 15% đến 22% ở hầu hết các chế độ phụ tải động cơ. Mức độ cắt giảm phát thải rõ rệt nhất ghi nhận ở chế độ non tải và quá tải. Độ khói và mật độ bồ hóng trong khí xả giảm mạnh từ 20% đến 35%. Lượng oxy dồi dào trong nhiên liệu ngăn chặn sự hình thành các gốc carbon tự do ở tâm chùm tia phun. Sự vắng mặt của các hợp chất thơm trong este cũng triệt tiêu nguồn gốc tạo muội than. Khói đen thoát ra từ ống xả tàu cá giảm rõ rệt, cải thiện môi trường làm việc trực tiếp cho thuyền viên.

Phát thải oxit nitơ NOx có xu hướng tăng nhẹ từ 3% đến 6% khi sử dụng nhiên liệu pha trộn B10 và B20. Cơ chế Zeldovich nhiệt giải thích nguyên nhân do nhiệt độ cục bộ trong buồng cháy tăng nhẹ. Nồng độ oxy cao tại vùng cháy cũng tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng oxy hóa nitơ trong không khí nạp. Để kiểm soát phát thải NOx, nghiên cứu đề xuất giải pháp hiệu chỉnh góc phun sớm muộn đi 1 đến 2 độ góc quay trục khuỷu. Biện pháp này giúp hạ thấp áp suất và nhiệt độ cháy cực đại mà không làm tăng đáng kể suất tiêu hao nhiên liệu. Sự kết hợp giữa nhiên liệu B10 và tối ưu góc phun mang lại giải pháp toàn diện cho động cơ tàu cá.