Sản phẩm dầu mỏ thương phẩm - Trương Hữu Trì

Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm

Chương I NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ XĂNG

1.1. Giới thiệu chung về nhiên liệu cho động cơ xăng

Nhiên liệu dùng cho động cơ xăng được gọi là xăng, đây là một hỗn hợp chứa

nhiều các hợp chất khác nhau. Khi nghiên cứu về thành phần hoá học của dầu mỏ,

phân đoạn dầu mỏ nói chung hay của xăng thương phẩm nói riêng người ta thường

chia thành phần của nó thành hai nhóm chất chủ yếu đó là các hợp chất hydrocacbon

và các hợp chất phi hydrocacbon.

Nhiên liệu cho động cơ xăng là một sản phẩm quan trọng của nhà máy lọc dầu,

nó đã trở thành một mặt hàng quen thuộc trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con

người cũng như hoạt động sản xuất trong công nghiệp.

Động cơ xăng ra đời sớm hơn động cơ Diesel (được phát minh ra đồng thời ở

Pháp và Đức vào khoảng 1860), nó đã phát triển mạnh mẻ từ sau những năm 50 của

thế kỷ trước. Với nền công nghiệp chế tạo ô tô hiện đại như ngày nay đã cho ra đời

nhiều chủng loại với công suất khác nhau và được áp dụng trong nhiều lĩnh vực của

đời sống sản xuất và sinh hoạt của con người.

Cùng với sự gia tăng về số lượng động cơ xăng, nhu cầu về xăng nhiên liệu

ngày càng tăng nhanh, điều này đã mang đến cho các nhà sản xuất nhiên liệu những cơ

hội và cả những thách thức mới, bởi trong thực tế, bên cạnh những lợi ích mà động cơ

này mang lại cho con người thì đồng thời nó cũng thải ra môi trường một lượng lớn

các chất độc hại làm ảnh hưởng đến sức khoẻ và cả môi trường sinh thái.

Vì vậy xăng thương phẩm bắt buộc phải bảo đảm được các yêu cầu không

những liên quan đến quá trình cháy trong động cơ, hiệu suất nhiệt mà còn phải bảo

đảm các yêu cầu về bảo vệ môi trường.

Thông thường xăng thương phẩm cần đạt được các yêu cầu cơ bản như sau:

Khởi động tốt khi đang ở nhiệt độ thấp.

Động cơ hoạt động không bị kích nổ.

ThS. Trương Hữu Trì Trang 1


Không kết tủa, tạo băng trong bình chứa và cả trong bộ chế hoà khí.

Không tạo nút hơi trong hệ thống cung cấp nhiên liệu.

Dầu bôi trơn bị pha loãng bởi xăng là ít nhất.

Trị số octan ít bị thay đổi khi thay đổi tốc độ động cơ.

Các chất độc hại thải ra môi trường càng ít càng tốt.

Xăng nhiên liệu thu nhận được trong các nhà máy lọc dầu, ban đầu chỉ từ phân

xưởng chưng cất khí quyển, tuy nhiên hiệu suất thu xăng từ quá trình này rất thấp chỉ

vào khoảng 15% khối lượng dầu thô ban đầu.

Khi nhu cầu về xăng tăng lên thì phân đoạn này không đủ để cung cấp cho các nhu

cầu thực tế, vì vậy bắt buộc con người phải chế biến các phần thu khác nhằm thu hồi

xăng với hiệu suất cao hơn, điều này đã làm xuất hiện các phân xưởng khác như phân

xưởng crắckinh, alkyl hoá . . .

Ngoài lý do vừa nêu ở trên thì do yêu cầu về hiệu suất của động cơ ngày càng tăng

và chất lượng xăng ngày càng cao nên các nhà sản xuất nhiên liệu phải đưa ra nhiều

quá trình sản xuất khác nhằm đảm bảo các yêu cầu của xăng thương phẩm.

Thực tế trong các nhà máy lọc dầu hiện nay xăng thương phẩm được phối trộn từ

những nguồn sau:

Xăng của quá trình FCC

Reformat

Xăng chưng cất trực tiếp

Xăng của quá trình isomer hoá

Alkylat

Xăng của quá trình giảm nhớt, cốc hoá, các quá trình xử lý bằng hydro

Xăng thu được từ các quá trình tổng hợp như Methanol, Ethanol, MBTE.

Nói chung hai loại đầu tiên là các nguồn chính để phôi trộn, phần còn lại phụ

thuộc vào yêu cầu về chất lượng của xăng và yêu cầu của từng Quốc gia mà nguồn

nguyên liệu và hàm lượng của nó được chọn khác nhau.



Ví dụ:

- Tỷ lệ của các nguồn phối trộn xăng thương phẩm ở Mỹ (trước năm 2000)

34,7

4

4,7131,8

5,6

36,2ReformatNaphta nh?IsomerisatAlkylat/PolymerisatEtherButanXăng FCC

- Tỷ lệ của các nguồn phối trộn xăng thương phẩm ở Tây Âu (trước năm 2000)

49,6

7,655,9

1,8

5,7

27,1ReformatNaphta nh?IsomerisatAlkylat/PolymerisatEtherButanXăng FCC

- Tỷ lệ phối trộn ở Pháp từ năm 2000

Reformat 35% < < 45%

Butan 5%

Xăng FCC 15% < < 25%

Xăng isomer hoá 0% < < 15%

Alkylat 0% < < 20%

MTBE 0% < < 5% (trường hợp đặc biệt <15%)



1.2. Thành phân hoá học của nhiên liệu xăng

1.2.1. Giới thiệu chung về thành phần hoá học của xăng

Như phần trên vừa nêu, xăng thương phẩm không phải là sản phẩm của một quá

trình nào đó trong nhà máy lọc dầu mà nó là một hỗn hợp được phối trộn cẩn thận từ

một số nguồn khác nhau, kết hợp với một số phụ gia nhằm đảm bảo các yêu cầu hoạt

động của động cơ trong những điều kiện vận hành thực tế và cả trong các điều kiện

vận chuyển, tồn chứa và bảo quản khác nhau.

Thành phần hoá học chính của xăng là các hydrocacbon có số nguyên tử từ C4÷

C10 thậm chí có cả các hydrocacbon nặng hơn như C11, C12 và cả C13. Ngoài ra trong

thành phần hoá học của xăng còn chứa một hàm lượng nhỏ các hợp chất phi

hydrocacbon của lưu huỳnh, nitơ và oxy.

Với số nguyên tử cacbon như trên, trong thành phần của xăng chứa đầy đủ cả

ba họ hydrocacbon và hầu như các chất đại diện cho các họ này đều tìm thấy trong

xăng.

Mặc dù trong thành phần của dầu mỏ ban đầu không có các hợp chất không no

như ôlêfin nhưng trong quá trình chế biến đã xãy ra quá trình cắt mạch hình thành nên

các hợp chất đói này, do đó trong thành phần hoá học của xăng thương phẩm còn có

mặt các hợp chất đói.



Sự phân bố các cấu tử theo số nguyên tử cacbon và theo họ hydrocacbon của

một loại xăng super thương phẩm.

Thành phần tính theo khối lượng Số nguyên

tử cacbon Parafin % Naphten% Olefin% Diolefin% Aromatic% Tổng %

4 1.46 0 0.59 0. 0 2.05

5 11.64 0.18 3.16 0.06 0 15.04

6 12.27 1.03 2.09 0.06 2.22 17.67

7 11.52 1.41 1.40 0 12.84 27.17

8 4.26 0.05 0.12 0 16.70 21.13

9 0.65 0 0 0 10.76 11.41

10 0 0 0 0 3.08 3.08

11 0 0 0 0 0.19 0.19

Tổng 41.8.0 2.67 7.36 0.12 45.79 97.74

Các cấu tử không xác định chiếm 2.26%

Các giá trị được cung cấp bởi IFP



Sự phân bố các cấu tử theo số nguyên tử cacbon và theo họ hydrocacbon của

một loại xăng thường thương phẩm.

Thành phần tính theo khối lượng Số

nguyên tử

cacbon N-parafin

%

Isoparafin

%

Naphten

%

Olefin

%

Aromatic

%

Hợp chất

chứa oxy %

Tổng

%

4 5.14 0.3 0 1.49 0 0 6.93

5 1.26 7.84 0 10.11 0 0.5 19.71

6 0.64 6.34 1.19 5.07 1.23 3 17.47

7 0.65 3.22 1.05 1.56 8.11 0 14.59

8 0.48 11.47 0.43 0.34 13.61 0 26.33

9 0.11 1.12 0.16 0.07 9.49 0 10.95

10 0.01 0.09 0.09 0.02 2.80 0 3.01

11 0 0.1 0 0 0.25 0 0.35

12 0 0.61 0 0 0 0 0.61

13 0 0.01 0 0 0 0 0.01

Tổng 8.29 31.1 2.92 35.49 18.66 3.5 99.96

Các cấu tử không xác định chiếm 0.4%

Các giá trị được cung cấp bởi IFP



1.2.2. Thành phần hoá học của xăng

Khi nghiên cứu về thành phần hoá học của dầu mỏ cũng như các phân đoạn hay

sản phẩm của nó thì người ta thường chia thành phần chúng ra làm hai phần chính là

hydrocacbon và phi hydrocacbon.

1.2.2.1. Thành phần hydrocacbon của xăng

Họ parafinic

Công thức hóa học chung là CnH2n+2, bao gồm các chất có số nguyên tử như đã

nêu trên, chúng tồn tại dưới 2 dạng: mạch thẳng (n-parafin) và mạch phân nhánh (i-

parafin), với các isoparaffin thì mạch chính dài, mạch nhánh ngắn, chủ yếu là gốc

metyl.

Olefin

Các hydrocacbon olefine có công thức chung là CnH2n, được tạo thành từ các

quá trình chuyển hóa, đặc biệt là quá trình cracking, giảm nhớt, cốc hoá . . . Các

olefine này cũng bao gồmhai loại n-parafin và iso-parafin.

Họ naphtenic

Hydrocacbon naphtenic là các hydrocacbon mạch vòng no với công thức chung

là: CnH2n và các vòng này thường 5 hoặc 6 cạnh, các vòng có thể có nhánh hoặc không

có nhánh, hàm lượng của họ này chiếm một số lượng tương đối lớn, trong đó các hợp

chất đứng đầu dãy thường ít hơn các đồng đẳng của nó, những đồng phân này thường

có nhiều nhánh và nhánh lại rất ngắn chủ yếu là gốc metyl (-CH3)

Họ aromatic

Các hợp chất này trong xăng thường chiếm một hàm lượng nhỏ nhất trong ba

họ và các hợp chất đầu dãy cũng ít hơn các hợp chất đồng đẳng của nó.

1.2.2.2. Thành phần phi hydrocacbon của xăng

Trong xăng, ngoài các hợp chất hydrocacbon kể trên còn có các hợp chất phi

hydrocacbon như các hợp chất của O2, N2, S. Trong các hợp chất này thì người ta

quan tâm nhiều đến các hợp chất của lưu huỳnh vì tính ăn mòn và ô nhiễm môi trường.



Trong xăng, S chủ yếu tồn tại chủ yếu ở dạng mercaptan (RSH), hàm lượng của

nó phụ thuộc vào nguồn gốc của dầu thô có chứa ít hay nhiều lưu huỳnh và hiệu quả

quá trình xử lý HDS.

Các hợp chất của các nguyên tử khác có hàm lượng chủ yếu ở dạng vết, trong

đó nitơ tồn tại chủ yếu ở dạng pyridin còn các hợp chất của oxy thì rất ít và chúng

thường ở dạng phenol và đồng đẳng.

1.3. Đặc điểm của các nguồn dùng để phối trộn xăng

1.3.1. Xăng của quá trình reforminh xúc tác.

Xăng thu được của quá trình reforming xúc tác được gọi là reformat. Đây là

nguồn nguyên liệu chính để phối trộn tạo xăng có chất lượng cao, chúng có chứa một

hàm lượng các hợp chất aromatic cao nên chỉ số octan của no cao (RON = 95- 102).

1.3.2. Xăng cracking xúc tác:

Đây là nguồn cho xăng lớn nhất trong nhà máy lọc dầu. Trị số octane của xăng

này khoảng 87- 92 tuỳ theo điều kiện công nghệ. Thành phần hóa học chứa tới 9- 13%

hydrocacbon olefine. Sự có mặt của của các olefine này chính là nguyên nhân làm mất

tính ổn định của xăng.

1.3.3. Xăng chưng cất trực tiếp:

Phân xưởng chưng cất ở áp suất khí quyển là một phân xưởng quan trọng nhất

trong nhà máy lọc dầu có nhiệm vụ phân chia dầu thô thành nhiều phân đoạn khác

nhau. Phần hơi thu được ở đỉnh sau khi ổn định ta sẻ thu được xăng. Loại xăng chưng

cất trực tiếp này có chỉ số octan thấp khoảng 54- 65 nên chỉ dùng một lượng ít để phối

trộn còn phần chính được phân chia thành xăng nhẹ (chủ yếu C5 và C6) và xăng nặng.

Phần xăng nhẹ thường làm nguyên liệu cho quá trình isomer hoá còn phần xăng nặng

làm nguyên liệu cho quá trình reforming xúc tác.

1.3.4. Alkylat

Trong công nghệ lọc hóa dầu người ta sử dụng quá trình alkyl hóa để sản suất

xăng có trị số octane cao. Ngày nay quá trình alkyl hóa được sử dụng phổ biến ở các

nước trên thế giới. Với quá trình này, người ta đã tạo ra một nguồn phối liệu có trị số



octane cao hầu như không có tạp chất và các hợp chất aromatic đáp ứng yêu cầu sản

suất xăng sạch bảo đảm các yêu cầu về động cơ và môi trường.

1.3.5. Các nguồn phối liệu khác

Ngoài các nguồn chính trên thì xăng còn được phối liệu từ các nguồn khác như:

xăng giảm nhớt, xăng cốc hóa ... đây là các sản phẩm phụ của các quá trình.

Đặc điểm của xăng này là hàm lượng các hợp chất phi hydrocacbon lớn, xăng

kém ổn định vì chứa lượng lớn các hợp chất không no.

Cùng các loại xăng trên thì ngày nay khi yêu cầu về việc giảm các chất gây ô

nhiễm môi trường trong khói thải của động cơ càng khắt khe thì việc dùng các cấu tử

được tổng hợp từ các phản ứng hoá học có trị số octane cao như: MTBE, TAME,

methanol, ethanol.. để phối trộn xăng thương phẩm cũng đang được áp dụng rộng rãi.



1.4. Nguyên tắc hoạt động và đặc điểm của động cơ xăng

1.4.1. Nguyên tắc hoạt động của động cơ xăng



Động cơ xăng là một động cơ nhiệt dùng để biến năng lượng hoá học của nhiên

liệu khi bị đốt cháy thành năng lượng cơ học dưới dạng chuyển động quay. Động cơ

này làm việc theo nguyên tắc một chu trình gồm bốn giai đoạn: nạp, nén, cháy nổ và

giản nở sinh công, thải khí cháy ra ngoài. Sơ đồ nguyên lý như sau:

Hành trình 1-Kỳ nạp.

Piston đi từ điểm chết trên (ĐCT) xuống điểm chết dưới (ĐCD), xupap nạp mở,

xupap thải đóng, trục khuỷu quay từ vị trí ϕ0 = 0 đến 1800. Trong kỳ nạp tiêu tốn công

kéo piston xuống, thể tích xi lanh tăng lên, áp suất trong xi lanh giảm xuống tạo sự

chênh lệch áp suất, do đó xăng và không khí từ bộ chế hoà khí được hút vào trong xi

lanh. Để tăng lượng kkí nạp trong mỗi chu kỳ thì khi piston đi từ ĐCT xuống, xupap

nạp được mở sớm trước ĐCT một góc ϕ1= 10÷450 và đóng muộn sau ĐCD một góc

ϕ2 = 40-800. Vì vậy, quá trình nạp trên đồ thị công là: I-a-II, được tiến hành trong

phạm vi góc quay trục khuỷu là ϕ1 + 1800 + ϕ2.



Đồ thị công và đồ thị phối khí

Hành trình 2-Kỳ nén

Piston đi từ ĐCD đến ĐCT, cả hai xupap nạp và thải đều đóng, trục khuỷu quay

từ vị trí 1800 ÷ 3600. Trong kỳ nén tiêu tốn công piston đi lên nén hỗn hợp, thể tích xi

lanh giảm trong điều kiện hai van đóng nên áp suất hỗn hợp nhiên liệu trong xi lanh

tăng lên. Để chuẩn bị cho quá trình cháy được tốt thì gần cuối quá trình nén Bugi bật

tia lửa điện sớm trước ĐCT, tại điểm c'. Do vậy, quá trình nén trên đồ thị công là từ

điểm II - c'.

Hành trình 3 - cháy - giãn nở (kỳ công tác)

Piston đi từ ĐCT đến ĐCD, cả hai xupap đều đóng, trục khuỷu đi từ vị trí ϕ =

3600 đến 5400. Trong hành trình này, nhờ quá trình cháy làm tăng áp lực trong buồng

cháy và áp lực này đẩy piston đi xuống và sinh công, nó bao gồm hai quá trình: cháy

và giãn nở. Quá trình cháy bắt đầu tại điểm c' trước ĐCT một góc đánh lửa sớm ϕ = ϕ1

= 10-300 và kết thúc tại điểm d sau ĐCT, còn quá trình giãn nở bắt đầu từ điểm d và

kết thúc tại III.

Hành trình 4 - thải khí cháy ra ngoài



Piston đi từ ĐCD đến ĐCT, xupap thải mở, xupap nạp đóng, trục khuỷu quay từ

vị trí ϕ = 5400 đến 7200. Trong kỳ thải tiêu tốn công đưa piston đi lên và đẩy sản vật

cháy ra ngoài. Xupap thải được mở sớm tại điểm III trước ĐCD một góc ϕ3, nếu ϕ3

quá lớn sẽ tăng tổn thất công giãn nở ở kỳ cháy. Để quá trình thải triệt để các sản vật

cháy ra ngoài, xupap thải đóng muộn sau ĐCT một góc ϕ4, tại điểm IV. Quá trình thải

được biểu diễn trên đồ thị công là III-b-IV, được tiến hành trong phạm vi góc quay

trục khuỷu là ϕ3+1800+ ϕ4, còn đoạn I-r-IV gọi là đoạn trùng điệp, tức cả hai van nạp

và thải đều mở.

Như vậy, toàn bộ chu trình công tác được thực hiện theo bốn hành trình trong

hai vòng quay của trục khuỷu, trong bốn hành trình này chỉ có một hành trình cháy và

giãn nở là sinh công, còn ba hành trình khác thì phải tiêu tốn công.

1.4.2. Đặc điểm của quá trình hoạt động trong động cơ xăng

Từ việc phân tích hoạt động của động cơ xăng ở trên ta rút ra được những đặc

điểm của động cơ này như sau:

Nhiên liệu trước khi nạp vào xylanh nó đã được phối trộn với không khí để tạo

hỗn hợp cháy, như vậy độ bay hơi của xăng trong buồng cháy không phải là vấn

đề lớn ảnh hưởng đến chất lượng của quá trình cháy.

Quá trình cháy của nhiên liệu chỉ được thực hiện khi bugie bật lửa hoặc khi

màng lửa lan truyền đến.

Khi bugie bật lửa thì quá trình cháy bắt đầu, lúc này hỗn hợp trong buồng cháy

được chia thành hai phần: Phần thứ nhất là khí cháy, phần thứ hai là hỗn hợp

của không khí và nhiên liệu chưa cháy (hỗn hợp công tác), trong điều kiện nhiệt

độ và áp suất cao với sự có mặt của oxy không khí thì các hydrocacbon của

nhiên liệu sẻ bị biến đổi một cách sâu sắc, cụ thể là chúng sẻ bị oxy hoá để tạo

thành các hợp chất có khả năng tự bốc cháy khi mặt lửa chưa lan truyền đến.

Trong trường hợp này, nếu như phần nhiên liệu tự bốc cháy nhiều thì nó sẻ làm

tăng áp suất trong buồng cháy một cách đột ngột và gây ra những sóng xung

kích va đập vào piston, xylanh tạo ra những tiếng gỏ kim loại. Hiện tượng này

được gọi là hiện tượng cháy kích nổ.



1.5. Chỉ tiêu chất lượng của xăng

Ngày nay động cơ đã trở thành một bộ phận quan trọng trong đời sống sản xuất

và sinh hoạt của con người. Bên cạnh những lợi ích to lớn mà chúng mang lại thì động

cơ cũng đồng thời thải một lượng rất lớn chất độc hại ra môi trường gây ảnh hưởng

đến sức khoẻ con người và ảnh hưởng xấu đến môi trường sinh thái. Vì vậy, cần thiết

phải đặt ra những quy định nhằm hạn chế việc thải các độc hại và thực hiện các quy

định này một cách nghiêm túc.

Ở gốc độ của nhiên liệu thì cần phải đặt ra cho xăng thương phẩm những chỉ

tiêu nhằm bảo đảm được chất lượng đối với người sử dụng và hạn chế được lượng chất

độc hại trong khói thải.

1.5.1. Hiện tượng kích nổ và chỉ số octan

1.5.1.1. Hiện tượng kích nổ

Như vừa nêu ở trong phần trước, khi bugie bật lửa thì quá trình cháy của nhiên

liệu trong buồng cháy mới được bắt đầu tại bugie còn phần nhiên liệu nằm ở vị trị

khác chỉ được cháy khi màng lửa lan truyền đến. Tuy nhiên trong thực tế có một phần

nhiên liệu trong buồng cháy bị oxy hoá dẫn đến quá trình tự bắt cháy khí màng lửa

chưa lan truyền đến. Nếu như phần nhiên liệu tự bắt cháy này đủ lớn để làm tăng nhiệt

độ và áp suất trong buồng cháy một cách đột ngột và tạo ra những sóng xung kích va

đập vào piston, xylanh tạo ra những tiếng gỏ kim loại thì quá trình cháy này được gọi

là cháy kích nổ.

Như vậy, trong buồng cháy luôn tồn tại một sự cạnh tranh giữa quá trình cháy

do màng lửa lan đến (cháy cưỡng bức) và quá trình tự bốc cháy, quá trình cháy nào

chiếm ưu thế là phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau.

Bằng thực nghiệm người ta đã xác định được thời gian của quá trình tự bốc

cháy theo công thức sau:

D = A P-nEXP(B/T)

Trong đó: A,B là các hằng số thực nghiệm.



Các thông số ảnh hưởng lên thời gian tự bốc cháy bao gồm:

Tỷ số nén

Hệ số đầy

Góc đánh lửa sớm

Nhiệt độ và áp suất vào buồng cháy

Độ giàu

Nhiên liệu

Nhiên liệu ảnh hưởng lên quá trình cháy kích nổ này được thể hiện thông qua một

khái niệm gọi là chỉ số octan

1.5.1.2. Bản chất của hiện tượng cháy kích nổ trong động cơ xăng

Qua phân tích ở trên cho thấy quá trình cháy trong động cơ xăng có thể là bình

thường, có thể là kích nổ chúng phụ thuộc vào bản chất của nhiên liệu, kết cấu và điều

kiện vận hành của động cơ.

Quá trình cháy được gọi là bình thường khi mặt lửa lan truyền đều đặn với vận

tốc trong khoảng 15 ÷ 40 m/s. Còn khi vận tốc lan truyền của mặt lửa quá lớn khoảng

300 m/s thì quá trình cháy trong xylanh xảy ra gần như tức thời kèm theo những tiếng

gỏ kim loại như vừa nêu trên thì được gọi là cháy kích nổ.

Bản chất của hiện tượng kích nổ rất phức tạp, có nhiều quan điểm để giải thích

khác nhau song bản chất của nó là do các hợp chất hydrocacbon trong nhiên liệu nằm

ở trước mặt lửa chịu một điện kiện rất khắc nghiệt nên chúng bị biến đổi hoá học một

cách sâu sắc để tạo ra những hợp chất mới có khả năng tự bùng cháy. Cụ thể trong

điều kiện nhiệt độ và áp suất cao của buồng cháy thì các hydrocacbon kém bền oxy

hoá như paraffin dễ dàng bị oxy hoá để tạo ra các hợp chất chứa oxy như peroxyt,

hydroperoxyt, rượu, xeton, axít . . . trong số các hợp chất này thì đáng chú ý nhất là

các hợp chất peroxyt, hydroperoxyt đây là những hợp chất kém bền dễ bị phân huỷ tạo

ra các gốc tự do để sinh ra các phản ứng chuổi dẫn đến sự tự bốc cháy.

Khi nghiên cứu về hiện này người ta đã đi đến kết luận về khả năng chống lại

sự tự bốc cháy của các hydrocacbon tăng dần như sau:



Parafin mạch thẳng < naphten < olefin mạch thẳng < naphten mạch nhánh không no <

parafin mạch nhánh < aromatic.

1.5.1.3. Ảnh hưởng của hiện tượng kích nổ lên động cơ

Hỏng join lót giữa nặp và thân máy

Làm xói mòn piston và nắp

Làm vỡ “cordons” của piston và xecmăng

Làm nóng chảy cục bộ piston và xupap

Ngoài những ảnh hưởng kể trên thì quá trình cháy kích nổ thường kèm theo việc

thải nhiều chất độc hại ra môi trường, làm nóng máy nhanh chóng nên làm giảm nhanh

tuổi thọ của động cơ.

1.5.1.4. Chỉ số octan

Chỉ số octan là một đại lượng quy ước để đặc trưng cho khả năng chống lại sự

kích nổ của xăng, giá trị của nó được tính bằng phần trăm thể tích của iso-octan

(2,2,4-trimetylpentan) trong hỗn hợp của nó với n-heptan khi mà hỗn hợp này có khả

năng chống kích nổ tương đương với khả năng chống kích nổ của xăng đang khảo sát.

Trong hỗn hợp này thì iso-octan có khả năng chống kích nổ tốt, được quy ước bằng

100, ngược lại n-heptan có khả năng chống kích nổ kém và được quy ước bằng 0.

Trong trường hợp trị số octan lớn hơn 100 thì để xác định trị số octan người ta

cho thêm vào xăng một hàm lượng Tetraetyl chì rồi tiến hành đo. Trị số octan được

tính theo công thức sau:

IO = 100 + ( ) 2/12435216.0472.11736.0128.28

TTTT

−+++

Trong đó T là hàm lượng Tetraetyl chì ml

Các yếu tố liên quan đến động cơ ảnh hưởng đến chỉ số octan bao gồm:

Tỷ số nén

Hệ số đầy

Góc đánh lửa sớm



Nhiệt độ và áp suất vào

Độ giàu

1.5.1.5. Ý nghĩa của chỉ số octan

Trị số octan là một chỉ tiêu rất quan trọng của xăng khi dùng xăng có trị số

octan thấp hơn so với quy định của nhà chế tạo thì sẻ gây ra hiện tượng kích nổ làm

giảm công suất của động cơ, nóng máy, gây mài mòn các chi tiết máy, tạo khói đen

gây ô nhiễm môi trường. Ngược lại nếu dùng xăng có trị số octan cao quá sẻ gây lãng

phí. Điều quan trọng là phải dùng xăng đúng theo yêu cầu của nhà chế tạo, cụ thể là

theo đúng tỷ số nén của động cơ, khi tỷ số nén lớn thì yêu cầu trị số octan lớn và

ngược lại.

1.5.1.6. Các phương pháp đo chỉ số octan

Thông thường thì chỉ số octan được đo theo hai phương pháp như sau:

Phương pháp nghiên cứu (RON) đo theo tiêu chuẩn ASTM D 2700

Phương pháp mô tơ (MON) đo theo tiêu chuẩn ASTM D 2699

C� hai ph��ng pháp này ��u ��c �o trên cùng m�t ��ng c� CFR (Cooperative Fuel Research). �ây là ��ng c� có m�t xylanh có các thông s� nh� sau:

Đường kính xylanh: 82.55 mm

Khoảng chạy piston: 114.30 mm

Thể tích xylanh: 661 cm3

Tỷ số nén: 4 ÷ 18

Vận tốc quay khi thử nghiệm là cố định

Độ giàu điều chỉnh được

Để phát hiện ra hiện tượng kích nổ có thể dùng các thiết bị sau:

+ Capteur từ

+ Theo tính hiệu

+ Theo cường độ âm thanh.



Điều kiện đo của hai phương pháp này như sau:

Các thông số làm việc RON MON

Tốc độ quay Gốc đánh lửa sớm độ trục khuỷu Nhiệt độ của không khí hút vào oC

Nhiệt độ của hỗn hợp nhiên liệu oc

600 13 48 -

900

14 ÷ 16 38 149

Cùng một loại nhiên liệu thì RON thường lớn hơn MON, độ chênh lệch của hai

phương pháp này được gọi là độ nhạy của xăng, độ nhạy càng thấp càng tốt. Paraffin

có độ nhạy thấp còn aromatic có độ nhạy cao. Giá trị của MON cho phép dự đoán khả

năng chống kích nổ ở chế độ vòng quay lớn còn RON thì cho phép dự đoán ở chế độ

vòng quay nhỏ.

Trong hai phương pháp đo ở trên thì tốc độ vòng quay không đổi và động cơ chỉ

có một xylanh, nhưng các động cơ trong thực tế luôn có số xylanh lớn hơn một và khi

động cơ chạy trên đường thì vận tốc của nó luôn thay đổi tức là chế độ vòng quay thay

đổi. Do đó RON và MON thường không đánh giá đúng khả năng chống kích nổ thực

của xăng khi động cơ hoạt động.

Cả hai phương pháp trên đều cho chỉ số octan với một tốc độ động cơ nhất định,

tuy nhiên trong thực tế thì động cơ luôn hoạt động với những tốc độ khác nhau, do đó

RON và MON không đánh giá hết được khả năng chống kích nổ của xăng trong thực

tế.

Để chính xác hơn người ta còn dùng khái niệm chỉ số octan trên đường, ký hiệu

IOR. Chỉ số octan này cũng được đo trên động cơ nêu trên nhưng ở điều kiện đo khác

và điều đáng chú ý là vận tốc quay của trục khuỷu sẻ thay đổi theo quá trình đo. Giá trị

của IOR có thể cao hơn hoặc thấp hơn RON.

Trị số octan trên đường được xác định theo công thức

IOR = RON – S2/a

Trong đó : S độ nhạy, S = RON – MON

:a hệ số từ 4.6 ÷ 6.2 phụ thuộc vào tỷ số nén của động cơ



Mặt khác do xăng chứa nhiều thành phần có sự khác biệt khá lớn về khả năng

chống kích nổ. Thông thường thì phần có nhiệt độ sôi thấp (ngoại trừ izo pentan,

benzen) có chỉ số octan thấp, do đó trong một số chế độ làm việc của động cơ có thể

xãy ra sự chia tách xăng trong động cơ, dẫn đến trong một thời điểm nhất định nào đó

lượng nhiên liệu được nạp vào xylanh chứa nhiều thành phần nhẹ, bốc hơi nhanh

nhưng chỉ số octan lại thấp do đó dễ dẫn đến quá trình cháy kích nổ trong một số chu

kỳ nhất định. Vì vậy, ngoài ba loại trên thì người ta còn đo chỉ số octan của phần cất

có nhiệt độ sôi đến 100oC và được ký hiệu R-100, giá trị của nó luôn nhỏ hơn RON và

độ chênh lệch này được gọi là ∆RON

1.5.1.7. Các biện pháp làm tăng chỉ số octan

Như trong phần trước ta đã thấy chỉ số octan của xăng chưng cất trực tiếp rất

thấp, số lượng ít không đảm bảo được về chất lượng cũng như số lượng. Vì vậy người

ta cần có các phương pháp nhằm tăng số lượng và chất lượng của xăng. Các phương

pháp này được phân thành ba loại như sau:

Phương pháp hoá học

Thực hiện các phản ứng hoá học để biến đổi cấu trúc của nguyên liệu xăng ban

đầu như RC, FCC, Alkyl hoá, Isomer hoá . . . phương pháp này được dùng rộng rãi và

chiếm đại bộ phận xăng thương phẩm.

Dùng phụ gia

Phương pháp này dùng hoá chất để làm tăng chỉ số octan như nước chì. Phương

pháp này ngày nay gần như bị cấm bởi sự độc hại do chì gây ra.

Phương pháp dùng các cấu tử có chỉ số octan cao

Phương pháp này dùng các cấu tử có chỉ số octan cao để pha trộn vào xăng như

MBTE, EBTE, Methanol, Ethanol . . . phương pháp này ngày nay được khuyến khích

dùng nhiều bởi những ưu điểm về mặt bảo vệ môi trường.



1.5.2. Tỷ trọng

Tỷ trọng của một chất lỏng là tỷ số giữa khối lượng riêng chất đó so với khối

lượng riêng của nước được đo ở trong những điều kiện nhiệt độ xác định. Như vậy tỷ

trọng là một đại lượng không có thứ nguyên.

Người ta thường ký hiệu là ρt1t2, trong đó t1 là nhiệt độ mà tại đó người ta xác

định khối lượng riêng của nước, tương tự như vậy t2 là nhiệt độ mà tại đó người ta đo

khối lượng riêng của chất cần đo.

Trong thực tế ta thường gặp ρ420, ρ4

15, ρ15.615.6, đối với dầu mỏ và các sản phẩm

của nó thì trong tính toán người ta thường dùng tỷ trọng chuẩn ρ15.615.6.

Ở Mỹ và một số nước khác người ta còn biểu thị tỷ trong thông qua một đại

lượng khác gọi là độ API và giá trị của nó được xác định thồn qua tỷ trọng chuẩn như

sau:

oAPI = 6.156.15

5.141ρ

- 131.5

Có nhiều phương pháp để xác định tỷ trọng, nhưng thông thường nó được xác

định theo 3 phương pháp sau:

Phương pháp dùng picnomet

Phương pháp dùng phù kế

Phương pháp dùng cân thuỷ tĩnh.

Theo tiêu chuẩn của châu âu thì giá trị này nằm trong khoảng 720 đến 775 kg/m3.

Đối với xăng thì việc xác định tỷ trọng không có nhiều ý nghĩa như đối với dầu thô

hay Diesel hoặc một sản phẩm khác, tuy nhiên nó cũng có những ý nghĩa nhất định

trong việc điều khiển độ giàu khi bắt đầu khởi động động cơ, ảnh hưởng trực tiếp lên

nhiệt cháy thể tích do đó ảnh hưởng lên sự tiêu thụ riêng của nhiên liệu, cụ thể khi tỷ

trọng tăng lên thì suất tiêu thụ riêng giảm xuống.

1.5.3. Các chỉ tiêu lên quan đến độ bay hơi

Như chúng ta đều biết xăng thương phẩm là một hỗn hợp của nhiều các hợp

chất hydrocacbon có nhiệt độ sôi thay đổi trong khoảng rộng. Thực tế, trong khoảng



phân đoạn của nó thì ở nhiệt độ nào cũng có những hydrocacbon bay hơi, nhưng ở một

nhiệt độ nhất định thì cường độ bay hơi của các cấu khác nhau là không giống nhau.

Tính chất bay hơi của xăng có ý nghĩa rất lớn trong quá trình bảo quản, vận chuyển

cũng như trong quá trình sử dụng. Vì vậy độ bay hơi của xăng là một tính chất hết sức

quan trọng. Tính bay hơi này được đặc trưng bằng những tính chất như: Thành phần

cất, áp suất hơi bảo hoà, điểm chớt cháy. Nhờ nó mà ta có thể đánh giá sơ bộ về thành

phần, sự phân bố của các cấu tử trong xăng, khả năng bay hơi gây mất mát và mức độ

an toàn trong quá trình vận chuyển cũng như bảo quản và sử dụng.

1.5.3.1. Thành phần cất

Những khái niệm cơ bản

Thành phần cất là khái niệm dùng để biểu diễn phần trăm bay hơi theo nhiệt độ

hoặc ngược lại nhiệt độ theo phần trăm thu được khi tiến hành chưng cất mẫu trong

thiết bị chuẩn theo những điều kiện xác định. Ở đây ta có những khái niệm sau.

Nhiệt độ sôi đầu:

Là nhiệt độ đọc được trên nhiệt kế vào lúc giọt chất lỏng ngưng tụ đầu tiên chảy

ra từ cuối ống ngưng tụ.

Nhiệt độ sôi cuối:

Là nhiệt độ cao nhất đạt được trong qúa trình chưng cất.

Nhiệt độ phân hủy:

Là nhiệt độ đọc được trên nhiệt kế khi xuất hiện các dấu hiệu đầu tiên của sự

nhiệt phân như xuất hiện hơi trắng

Nhiệt độ sôi 10% (t10%), t50%, t90%, t95%, . . :

Là nhiệt độ đọc trên nhiệt kế tương ứng khi thu được 10%, 50%, 90%, 95% . . .

chất lỏng ngưng tụ trong ống thu.

Phần trăm thu hồi được là số ml chất lỏng ngưng tụ thu được trong ống đong có

chia độ tương ứng lúc đọc nhiệt độ.



Ý nghĩa của việc xác định thành phần cất

Ngoài việc đánh giá thành phần hoá học của xăng thì thành phần cất còn có ý

nghĩa rất quan trọng đối với xăng nhiên liệu bởi các giá trị của nó ảnh hưởng trực tiếp

lên khả năng khởi động, khả năng tăng tốc và cả khả năng cháy hoà toàn trong buồng

cháy.

Ảnh hưởng đến khả năng khởi động

Xăng cho động cơ phải có một độ bay hơi nhất định để cho động cơ có thể khởi

động được ở nhiệt độ thấp. Qua nghiên cứu thực tế cho thấy khả năng khởi động của

động cơ ở nhiệt độ thấp phụ thuộc vào nhiệt độ sôi đầu, nhiệt độ sôi 10%, 20%, 30%.

Khi những giá trị này càng thấp thì động cơ càng dễ khởi động, nhưng nếu chúng thấp

quá thì xăng bay hơi quá nhiều do đó dễ gây ra hiện tượng nút hơi làm thay đổi thành

phần của xăng được nạp vào xylanh ở một số chu kỳ nào đó gây ra hiện tượng thiếu

hụt xăng cung cấp cho động cơ, điều này thường dẫn đến quá trình cháy không hoàn

toàn và tạo ra nhiều chất độc hại trong khói thải làm ô nhiễm môi trường. Ngoài ra quá

trình bay hơi lớn sẻ gây mất mát vật chất và cũng gây ô nhiễm. Ngược lại khi những

giá trị quá lớn nghĩa là xăng khó bay hơi thì động cơ rất khó khởi động khi đang ở

nhiệt độ thấp.

Ảnh hưởng lên khả năng tăng tốc

Khi chuyển từ chế độ chậm sang chế độ nhanh, động cơ đòi hỏi lượng xăng nạp

vào phải đủ lớn và bay hơi nhanh để bảo đảm cho quá trình cháy cung cấp nhiệt. Độ

bay hơi này phụ thuộc vào nhiệt độ sôi đầu đến nhiệt độ sôi t50%, t60%,

Cũng tương tự như trên, khi những nhiệt độ sôi này càng nhỏ thì độ bay hơi

càng tốt tạo điều kiện tốt cho quá trình cháy tốt. Ngược lại khi những giá trị này lớn

thì quá trình hoá hơi không tốt do đó dễ dẫn đến quá trình cháy không hoàn toàn tạo ra

nhiều chất độc hại trong khói thải gây ô nhiễm môi trường.

Ảnh hưởng đến khả năng cháy hết

Nhiệt độ sôi cuối và những nhiệt độ sôi 90%, 95% của xăng phải được giới hạn

nhất định để bảo đảm quá trình cháy tốt. Nếu những giá trị này lớn quá thì quá trình

cháy sẽ không hoàn toàn.



Phần nhiên liệu không cháy hết có thể bị phân huỷ trong điều kiện nhiệt độ cao

làm tăng nồng độ chất độc hại trong khói thải hoặc chúng tồn tại ở trạng thái lỏng và

đọng lại trên thành xy lanh làm loảng màng dầu bôi trơn gây ra hiện tượng mài mòn,

sau đó chúng được xecmăng đưa xuống carter chứa dầu và làm bẩn dầu bôi trơn.

1.5.3.2. Áp suất hơi bảo hoà

Áp suất hơi là một đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất các phân tử trong

pha lỏng có xu hướng thoát khỏi bề mặt của nó để chuyển sang pha hơi ở nhiệt độ nào

đó. Như vậy áp suất hơi bảo hoà chính là áp suất hơi mà tại đó thể hưoi cân bằng với

thể lỏng.

Áp suất hơi là một hàm số của nhiệt độ và của đặc tính pha lỏng. Sự sôi của một

hydrocacbon nào đó, hay của một phân đoạn dầu mỏ chỉ xảy ra khi áp suất hơi của nó

bằng với áp suất hơi của hệ. Vì vậy, khi áp suất hệ tăng lên, nhiệt độ sôi của phân đoạn

sẽ tăng theo nhằm tạo ra một áp suất hơi bằng áp suất của hệ. Ngược lại, khi áp suất

của hệ giảm thấp, nhiệt độ sôi của phân đoạn sẽ giảm đi tương ứng.

Đối với các hydrocacbon riêng lẻ, áp suất hơi của nó chỉ phụ thuộc vào nhiệt

độ, vì vậy ở một áp suất nhất định chỉ có một nhiệt độ sôi tương ứng.

Đối với một phân đoạn dầu mỏ trong đó bao gồm nhiều hydrocacbon riêng lẽ

thì áp suất hơi của phân đoạn, ngoài sự phụ thuộc vào nhiệt độ, còn phụ thuộc vào

thành phần các hydrocacbon có áp suất riêng phần khác nhau, nghĩa là áp suất hơi của

phân đọan mang tính chất cộng tính của các thành phần trong đó và tuân theo định luật

Raoult: P = iixP∑

(Pi, xi là áp suất riêng phần và nồng độ phần mol của cấu tử i trong phân đọan).

Áp suất hơi bảo hoà có thể được biểu diễn theo 3 phương pháp khác nhau: Phương pháp của Reid (PVR).

Phương pháp của Grabner

Phương pháp xác định tỷ lệ lỏng - hơi (V/L).

Trong ba phương pháp trên thì phương pháp của Reid thường được dùng nhiều

nhất. Áp suất thu được là áp suất tuệt đối. Áp suất này được đo ở 100oF (37,8oC).



Cũng tương tự như thành phần cất, áp suất hơi bảo hoà đặc trưng cho khả năng

khởi động của động cơ ở nhiệt độ thấp. Khi giá trị này lớn thì động cơ dễ khởi động

nhưng nếu giá trị này lớn quá sẻ gây ra hiện tượng nút hơi, thiếu nhiên liệu khi cung

cấp cho động cơ và gây mất mát, nhưng nếu nhỏ quá thì động cơ khó khởi động.

1.5.3.3. Nhiệt độ chớt cháy

Nhiệt độ chớt cháy là nhiệt độ thấp nhất mà tại đó nhiên liệu bay hơi tạo với

không khí một hỗn hợp có thể phụt cháy rồi tắt ngay như một tia chớp khi đưa ngọn

lửa đến gần.

Nhiệt độ chớp cháy được xác định trong hai loại thiết bị cốc kín và cốc hở khác

nhau nên tương ứng ta cũng có hai loại nhiệt độ chớt cháy cốc kín và cốc hở. loại cốc

kín thường dùng cho các loại sản phẩm có độ bay hơi lớn còn loại cốc hở thường dùng

cho các phân đoạn nặng.

Nhiệt độ chớp cháy đặc trưng cho các phần nhẹ dễ bay hơi trong nhiên liệu, khi

phần nhẹ càng nhiều thì khả năng bay hơi càng lớn điều này sẻ gây ra mất mát vật chất

và điều quan trọng hơn cả là nó có thể tạo ra hỗn hợp nỗ trong quá trình bảo quản và

vận chuyển. Vì vậy chỉ tiêu này đặc trưng cho mức độ hoả hoạn của xăng. Đối với

xăng thì ở điều kiện thường độ bay hơi của nó lớn nên tạo hỗn hợp với không khí nằm

ngoài giới hạn nỗ.

Quy định về độ bay hơi của xăng không chi ở châu Âu

Tính chất Đơn vị Giá trị giới hạn của các loại khác nhau 1 2 3 4 5 6 7 8 Áp suất hơi

KPa nim KPa max

35 70

35 70

45 80

45 80

55 90

55 90

60 95

65 100

E70 % nim %max

15 45

15 45

15 45

15 45

15 47

15 47

15 47

20 50

FVI max 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 E100 % nim

%max 40 65

40 65

40 65

40 65

43 70

43 70

40 70

43 70

E180 % nim 85 85 85 85 85 85 85 85 PF oC max 215 215 215 215 215 215 215 215 Cặn %max 2 2 2 2 2 2 2 2

FVI =PVR (mbar) +7E70



1.5.4. Độ ổn định oxy hoá Trong quá trình vận chuyển và bảo quản dầu thô cũng như sản phẩm của nó

thường tiếp xúc với không khí nên các hydrocacbon dễ bị oxy hoá tạo thành các sản

phẩm nặng hơn và thường gọi là nhựa, các hợp chất này thường gây ra nhiều ảnh

hưởng xấu đến quá trình hoạt động của động cơ như: Làm tắt nghẽn lưới lọc trong

bơm nạp liệu, gicluer, tạo cặn trong các rãnh của piston và trên xecmăng.

Để đặc trưng cho khả năng chống lại quá trình oxy hoá người ta dùng khái niệm

độ ổn định oxy hoá, nó có thể được xác định theo nhiều phương pháp khác nhau.

Độ ổn định oxy hoá phụ thuộc vào thành phần hoá học của các họ hydrocacbon.

Trong dầu thô cũng như các sản phẩm của nó thì các hydrocacbon có độ ổn đinh hoá

học khác nhau, các hợp chất Aromatic có độ ổn định kém nhất còn các hợp chất

Parafinic có độ ổn định cao nhất, tuy nhiên ở điều kiện nhiệt độ thường thì tốc độ oxy

hoá của các họ hydrocacbon này không lớn.

Trong dầu thô không có các hợp chất olefin, nhưng trong quá trình chế biến,

dưới tác dụng của nhiệt độ các hydrocacbon kém bền nhiệt sẻ bị cắt mạch để tạo thành

các sản phẩm nhẹ hơn trong đó có các hợp chất không no như olefin, ở phần trên

chúng ta đã thấy xăng thương phẩm được phối trộn từ rất nhiều khác nhau trong đó

chủ yếu là các sản phẩm của các quá trình chế biến sâu, trong các sản phẩm này

thường chứa các hợp chất không no. Vì vậy trong thành phần của xăng luôn chứa các

hợp chất olefin, đây là hợp chất kém bền dễ bị oxy hoá tạo nhựa và các hợp chất có hại

khác cho xăng, chính vì lý do này mà ngoài chỉ tiêu về độ ổn định oxy hoá thì còn phải

khống chế hàm lượng của ôlefin trong xăng.

1.5.5. Hàm lượng lưu huỳnh

Trong phân đoạn xăng thu được từ quá trình chưng cất khí quyển hay trong

xăng thương phẩm thì hàm lượng lưu huỳnh không nhiều, chúng có thể tồn tại dưới

nhiều dạng khác nhau tuỳ theo nguồn gốc phối trộn. Trong các dạng tồn tại này thì

người ta quan tâm nhiều nhất đến hợp chất mercaptan (có trong phân đoạn xăng chưng

cất trực tiếp) vì đây là hợp chất có khả năng gây ăn mòn trực tiếp các thiết bị trong tồn

chứa bảo quản, vận chuyển cũng như sử dụng trong động cơ.



Mặc dù hàm lượng các hợp chất này không lớn trong thành phần của xăng

nhưng nó gây ra nhiều ảnh hưởng xấu đến chất lượng của xăng như vừa nêu ở trên.

Khi cháy trong động cơ chúng tạo ra khi SO2, khí này sau đó có thể chuyển một phần

thành SO3, các chất khí này sẻ tạo thành các axit tương ứng khi nhiệt độ xuống thấp,

đây là các chất gây ăn mòn rất mạnh. Ngoài ra khi theo khói thải ra ngoài các chất khí

này sẻ làm nhiễm độc xúc tác trong bộ hệ thống xử lý khí thải và gây ô nhiễm môi

trường khi thải ra khi quyển.

1.5.6. Hàm lượng benzen

Như chúng ta đã biết benzen là một chất độc nó có thể gây chết người khi ở

trong môi trường có hàm lượng benzen cao, với nồng độ thấp thì benzen có thể gây ra

căn bệnh ung thư cho con người.

Quá trình cháy trong động cơ thường không hoàn toàn bởi điều kiện cháy trong

động cơ khá đặc biệt. Trong khí thải của động cơ ngoài các khí CO2, H2O, N2 còn có

thêm một số các chất khác như CO, NOx, SOx, các hydrocacbon chưa cháy, bồ hống .

. . hydrocacbon chưa cháy thực chất là một hỗn hợp các hợp chất hữu cơ như benzen,

butadien, fornaldehyt, acetaldehyt ... các hợp chất này khi thải ra môi trường đều có

hại cho con người và môi trường sinh thái, điều này bắt buộc con người phải xử lý nó.

Có nhiều phương pháp nhằm hạn chế các chất ô nhiễm này như cải tiến cấu trúc

của động cơ, khống chế điều kiện làm việc tối ưu hay cải thiện chất lượng của nhiên

liệu. Trong các giải pháp này thì hai giải pháp đầu tiên rất khó làm giảm hàm lượng

benzen trong khí thải vì benzen là một chất khó cháy nhất trong các hợp chất này. Vì

những lý do này mà người ta bắt buộc phải khống chế hàm lượng benzen và cả hàm

lượng các hợp chất aromatic trong nhiên liệu.

Benzen trong khí thải động cơ xăng phụ thuộc vào hàm lượng aromatic

Hàm lượng benzen trong khí chưa cháy trong khí xả (%) Hàm lượng aromatic trong nhiên liệu (%)

1% benzen trong nhiên liệu 3% benzen trong nhiên liệu

20 1.5 2.25

35 2 2.9

50 2.5 3.5



Ngoài những tiêu chuẩn quan trọng nêu trên thì một loại xăng thương phẩm còn

phải đạt nhiều tính chất khác như: hàm lượng nhựa, cặn, tro, tiêu chuẩn về màu sắc

các chỉ tiêu về độ kiềm, axxit . . .

Ngày nay, trong thành phần của xăng thương phẩm ngoài phụ gia nhằm nâng

cao chỉ số octan thì người ta còn dụng một số phụ gia khác như phụ gia chống oxy

hoá, phụ gia tẩy rửa . . .

TIÊU CHUẨN VIỆT NAM VỀ XĂNG Ô TÔ KHÔNG CHÌ (TCVN 6776 : 2000)

Xăng khôngchì

Các chỉ tiêu chất lượng

Phương pháp thử

90 92 95 1.Trị số octan - Theo phương pháp nghiên cứu (RON)

min ASTM D2699 90 92 95

2. Thành Phần Cất, 0C Điểm sôi đầu 10% Thể tích 50% Thể tích 90% Thể tích Điểm sôi cuối Cặn cuối

max max max max max

ASTM D 86

Báo cáo 70 120 190 215 2.0

3. Ăn mòn tấm đồng ở 500C/3h max TCVN 2694:2000 (ASTMD130)

1

4. Hàm lượng nhựa thực tế, mg/100ml

max TCVN 6593:2000 (ASTMD381)

5

5. Độ ổn định oxy hoá, phút min TCVN 6778:2000(ASTMD525)

240

6. Hàm lượng lưu huỳnh tổng, % KL

max ASTM D1266 0.15

7. Hàm lượng chì, g/l max TCVN 6704:2000 (ASTMD5059)/ASTM D3237

0.013

8. Áp suất hơi bão hoà Ried, kPa

TCVN 5731:2000 (ASTMD323)/ASTM D4953

43 - 80

9. Hàm lượng benzen, % thể tích

max TCVN6703:2000 (ASTMD3606)

5

10. Khối lượng riêng (ở150C), kg/m3

TCVN 6594:2000 Báo cáo

11. Ngoại quan Kiểm tra bằng mắt thường

Trong suốt,không có tạpchất lơ lửng



Chương II NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ DIESEL

2.1. Giới thiệu chung về nhiên liệu diesel

Nhiên liệu Diesel là một loại nhiên liệu lỏng, nặng hơn dầu hỏa và xăng, sử

dụng cho động cơ Diesel (đường bộ, đường sắt, đường thủy) và một phần được sử

dụng cho các loại máy móc công nghiệp như tuabin khí, máy phát điện, máy móc xây

dựng . . .

Ngày nay động cơ Diesel đã phát triển mạnh mẻ, đa dạng hoá về chủng loại

cũng như kích thước và được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống sản

xuất và sinh hoạt của con người bởi tính ưu việt của nó so với động cơ xăng. Do vậy,

nhu cầu về nhiên liệu Diesel ngày càng tăng, điều này đã đặt ra cho các nhà sản xuất

nhiên liệu những thách thức mới, và điều này càng khó khăn hơn bởi những yêu cầu

ngày càng khắt khe của luật bảo vệ môi trường.

Trong nhà máy lọc dầu thì nhiên liệu Diesel được lấy chủ yếu từ phân đoạn

gasoil của quá trình chưng cất dầu mỏ. Đây chính là phân đoạn thích hợp nhất để sản

xuất nhiên liệu Diesel mà không cần phải áp dụng những quá trình biến đổi hóa học.

Tuy nhiên, để đảm bảo về số lượng ngày càng tăng của nhiên liệu Diesel và việc sử

dụng một cách có hiệu quả các sản phẩm trong nhà máy lọc dầu thì thực tế nhiên liệu

Diesel luôn được phối liệu từ các nguồn khác như : Phân đoạn gasoil của quá trình

hydrocracacking, phân đoạn gasoil từ quá trình FCC, các sản phẩm của quá trình

oligome hóa, dime hóa, trime hóa, giảm nhớt, HDS...

2.2. Thành phần hoá học của nhiên liệu Diesel

Như đã nêu trong phần trước, nhiên liệu Diesel thương phẩm được phối trộn từ

nhiều nguồn khác nhau trong nhà máy lọc dầu. Thành phần hoá học của các nguồn này

thay đổi rất nhiều ngay cả khi cùng một nguồn gốc dầu thô. Để xem xét, trước hết ta

xem xét các nguồn dùng để phối trộn nhiên liệu Diesel.

Trong nhà máy lọc dầu thì Diesel thường thu nhận theo các quá trình như sơ đồ sau:


Xàng

GPL

RC


Theo sơ đồ này, nhiên liệu Diesel nhận được từ các nguồn như sau:



Phân đoạn Gasoil của tháp chưng cất khí quyển (phân đoạn chính để phối trộn)

Từ phân xưởng crackinh xúc tác

Từ phân xưởng hydrocrackinh

Từ phân xưởng giảm nhớt

Từ phân xưởng cốc hoá

Từ phân xưởng tách loại lưu huỳnh kèm theo quá trình chuyển hoá

Từ các quá trình tổng hợp như oligome hoá

2.2.1. Thành phần hoá học của của phân đoạn gassoil

Đây là thành phần chính để phối trộn nhiên liệu Diesel. Trước đây phân đoạn

này được lấy từ tháp chưng cất khí quyển có khoảng nhiệt độ sôi là 250oC ÷ 350oC,

với khoảng nhiệt độ sôi này thì thành phần hoá học của gasoil bao gồm các

hydrocacbon có số nguyên tử cacbon từ C16 ÷ C20, hầu hết các nhóm chất có mặt trong

dầu thô đều tìm thấy trong phân đoạn này. Cũng như khi nghiên cứu dầu mỏ hay các

sản phẩm dầu mỏ khác, thành phần hoá học của gasoil được chia thành hai nhóm chất

chính như sau:

2.2.1.1. Nhóm hợp chất hydrocacbon

Nhóm chất này bao gồm các họ như sau: Paraffin, Naphten, Aromatic

Họ Parfinic

Đặc điểm chung về các hydrocacbon parafinic trong phân đoạn này là sự phân

bố giữa cấu trúc thẳng và cấu trúc nhánh ở đây có khác: hầu hết là cấu trúc mạch thẳng

(n-parafin), dạng cấu trúc nhánh đồng phân của chúng thì rất ít và nhành chủ yếu là

gốc mêtyl.

Đáng chú ý là về cuối phân đoạn gasoil, bắt đầu có mặt những hydrocacbon n-

parafinic có nhiệt độ kết tinh cao như: C16 có nhiệt độ kết tinh ở 18,1oC, C20 có nhiệt

độ kết tinh ở 36,7oC. Khi những parafin này kết tinh, chúng sẽ tạo ra một bộ khung

phân tử, những hydrocacbon khác còn lại ở dạng lỏng sẽ nằm trong đó, nếu các n-



parafin rắn này có nhiều, chúng sẽ làm cho cả nhiên liệu mất tính linh động thậm chí

có thể làm đông đặc lại ở những nhiệt độ thấp.

Họ Naphten và Aromatic

Những hydrocacbon loại naphten và aromatic trong phân đoạn này bên cạnh

những loại có cấu trúc một vòng có nhiều nhánh phụ đính xung quanh còn có mặt các

hợp chất 2 hoặc 3 vòng.

Ngoài ra trong gasoil đã có mặt các hợp chất hydrocacbon có cấu trúc hỗn hợp

giữa vòng naphten và aromatic như têtralin và các đồng đẳng của chúng.

Ngoài ba họ trên thì trong thành phần của nhiên liệu Diesel luôn chứa một hàm

lượng đáng kể các hợp chất không no như olefin (phần chủ yếu), dien ...các hợp chất

không no này đến từ các quá trình chế biến sâu như FCC, giảm nhớt . . .

2.2.1.2. Nhóm hợp chất phi hydrocacbon

Trong Diesel thương phẩm thì các chất phi hydrocacbon tồn tại dưới nhiều dạng

khác nhau.

Hợp chất của lưu huỳnh

Nếu như trong xăng, lưu huỳnh dạng mercaptan chiếm phần chủ yếu trong số

các hợp chất lưu huỳnh ở đó, thì trong phân đoạn gosoil loại lưu huỳnh mercapten hầu

như không còn mercaptan nữa. Thay thế vào đó là lưu huỳnh dạng sunfua và disunfua,

cũng như lưu huỳnh trong các mạch dị vòng. Trong số này, các sunfua vòng no (dị

vòng) là loại có chủ yếu.

Hợp chất của oxy

Các hợp chất chứa oxy trong phân đoạn gasoil cũng tăng dần lên. Đặc biệt ở

phân đoạn này, các hợp chất chứa oxy dưới dạng axit, chủ yếu là axit naphtenic có rất

nhiều và đạt đến cực đại ở trong phân đoạn gasoil.

Ngoài các axit, các hợp chất chứa oxy trong phân đoạn gasoil còn có các

phenol và đồng đẳng của chúng như crezol, dimetyl phenol.



Hợp chất của nitơ

Các hợp chất của nitơ trong phân đoạn này cũng có ít nhưng chúng có thể nằm

dưới dạng các Quinolin và đồng đẳng, hoặc các hợp chất chứa nitơ không mang tính

bazơ như Pirol, Indol và các đồng đẳng của nó.

Ngoài những hợp chất chứa thuần tuý N2, O2, S thì trong phân đoạn gasoil đã có

mặt các chất nhựa, trọng lượng phân tử của nhựa vào khoảng (300-400). Nói chúng

các chất nhựa của dầu mỏ thường tập trung chủ yếu vào các phân đoạn sau gasoil, còn

trong phân đoạn này số lượng chúng rất ít.

2.2.2. Thành phần hoá học ở các nguồn ngoài phân đoạn gasoil để sản xuất Diesel

Trong các nguồn này thì thành phân hoá học của nó thay đổi rất nhiều. Chúng

không chỉ phụ thuộc vào loại dầu thô mà còn phụ thuộc vào quá trình sử dụng và điều

kiện công nghệ. Các nguồn này có thể chia làm hai nhóm nhỏ:

Nhóm thứ nhất:

Nhóm này bao gồm các loại gasoil nhận được từ các quá trình sau:

Crackinh nhiệt, xác tác

Giảm nhớt

Cốc hoá

Gasoil thu được từ các quá trình này thường có chất lượng rất xấu (chỉ số cetan

thấp, hàm lượng lưu huỳnh cao, các chất kém ổn định nhiều, hàm lượng aromatic và

hợp chất nhựa nhiều). Khi phối trộn trực tiếp thì nhóm gasoil này chỉ chiếm một lượng

nhỏ, nhưng thông thường thì chúng phải qua quá trình xử lý (HDS) rồi mới đem phối

trộn.

Nhóm thứ hai:

Nhóm này bao gồm các loại gasoil thu được từ các quá trình xử lý bằng hydro

như: HDS, Hydrocrackinh, các quá trình tổng hợp . . .

Đặc điểm nỗi bật của gasoil nhóm này là chất lượng rất tốt có nghĩa là chỉ số

cetan cao, hàm lượng các hợp chất phi hydrocacbon như lưu huỳnh, nitơ giảm xuống

rất nhiều, hàm lượng aromatic và các chất không no cũng giảm đi nhiều lần.



Sau đây ta sẻ xem xét một số ví dụ về thành phần của các loại gasoil và sự biến

đổi của nó theo các quá trình xử lý.

Thành phần hoá học của gasoil thu được từ các quá trình chuyển hoá

Dạng sản phẩm

Tính chất

LCO (HTS)

LCO (BTS)

VB1 VB2 HCK CK

- Khôi lượng riêng ở 15oC (kg/lit) - Độ nhớt (cSt) - Lưu huỳnh(%) - Nitơ ppm - Chỉ số brôm -Thành phần cất (oC) PI PF - Chỉ số cetan - Thành phân hoá học (% kl) Paraffin Naphten Mono aromatic Di aromatic Tri aromatic Benzothiophen Dibenzothiophen

0.942 4.6 2.76 630 14.9 218 359 21.3 13.7 8.8 17.1 35.8 4.1 15.6 4.0

0.924 3.1 0.68 110 7.3 199 296 18.3 21.3 8.9 20.1 44.7 0.5 4.3 0.3

0.866 5.5 2.2 27 229 348 45.5 23 33.4 17.7 10.4 1.4 12.2 1.8

0.821 2 1.46 247 45.5 156 293 39.2 22.4 53.3 17.4 2.8 0.1 4.1 0.0

0.803 2.94 0.006 6 179 333 54.2 39.8 58.5 1.5 0.2 0.0 0.0 0.0

0.936 3.8 1000 21 308 360 27 4 31 65

Nhận xét:

Gasoil thu được từ quá trình hydrocrackinh có chất lượng rất tốt tức là hàm

lượng các hợp chất phi hydrocacbon, hàm lượng chất thơm rất thấp, chỉ số cetan cao.



So sánh tính chất của gasoil trước và sau khi khử lưu huỳnh sâu

(áp suất chung 27 bar, V.V.H 3)

Tính chất Nguyên liệu (RA)

Sản phẩm

- Khôi lượng riêng ở 15oC (kg/lit) - Độ nhớt (cSt) 20oC

50oC

- Lưu huỳnh(%) - Nitơ ppm - Thành phần cất(oC) PI 50% 90% PF - Chỉ số cetan - Thành phân hoá học (% kl) Paraffin Naphten Mono aromatic Di aromatic Tri aromatic Benzothiophen Dibenzothiophen

0.846 6.14 2.99 1.31 65 217 294 341 358 54.8 40.7 32.6 11 7.4 1.0 5.4 1.9

0.834 5.58 2.81 0.07 221 285 329 350 56.4 43.2 31.1 18.2 5.9 0.5 0.5 0.6

0.833 5.52 2.79 0.015 54 221 285 329 349 57.6 44.0 30.9 17.6 6.5 0.4 0.4 0.2

(Cột sau là kết quả thu được trong trường hợp độ nghiêm ngặt cao hơn)

Nhận xét:

Sản phẩm thu được sau quá trình HDS có hàm lượng các hợp chất phi

hydrocacbon và hợp chất aromatic một hay nhiều vòng giảm đi rất nhiều, paraffin

tăng lên, chỉ số cetan tăng lên, nhiệt độ sôi đầu tăng lên chút ít nhưng nhiệt độ sôi

50%, 90%, nhiệt độ sôi cuối giảm điều này cho nhiên liệu có khả cháy tốt nghĩa là quá

trình này cho chất lượng gasoil tốt hơn.

Khi độ nghiêm ngặt tăng lên thì chất lượng của gasoil cũng tăng lên.




(áp suất chung 27 bar, V.V.H 3)

Tính chất Nguyên liệu: 80% RA+20%LCO

Sản phẩm

- Khôi lượng riêng ở 15oC (kg/lit) - Độ nhớt (cSt) 20oC 50oC - Lưu huỳnh(%) - Nitơ ppm - Thành phần cất(oC) PI 50% 90% PF - Chỉ số cetan - Thành phân hoá học (% kl) Paraffin Naphten Mono aromatic Di aromatic Tri aromatic Benzothiophen Dibenzothiophen

0.862 5.55 2.76 1.16 216 214 288 332 353 49 36.5 24.3 14.2 15.4 1.8 5.4 2.4

0.85 5.34 2.7 0.064 150 224 283 329 350 50.4 36.2 24.3 23 12 10.0 1.5 0.9

0.833 5.52 2.79 0.015 54 221 285 329 349 49 36.7 26.5 21.9 12.6 0.9 1.0 0.4

(Cột sau là kết quả thu được trong trường hợp độ nghiêm ngặt cao hơn)

Kết quả thu được ở đây hoàn toàn giống như trên.



So sánh tính chất của gasoil trước và sau khi xử lý bằng hydrocacbon

Sản phẩm Tính chất Nguyên liệu (RA)

P 50 bar VVH 1

P 75bar VVH 0.5

- Khôi lượng riêng ở 15oC (kg/lit) - Độ nhớt (cSt) 20oC 50oC - Lưu huỳnh(%) - Thành phần cất(oC) PI 50% 90% PF - Chỉ số cetan - Thành phân hoá học (% kl) Paraffin Naphten Mono aromatic Di aromatic Tri aromatic Benzothiophen Dibenzothiophen

0.846 6.14 2.99 1.31 217 294 341 358 54.8 40.7 32.6 11 7.4 1.0 5.4 1.9

0.825 5.3 2.71 218 282 326 347 60.2 43.7 38.1 13.7 2.8 0.3 0.2 0.3

0.818 5.27 2.6 203 280 326 346 65.4 45.7 50.3 3.4 0.6 0 0 0

Kết quả hoàn toàn giống như quá trình HDS




Sản phẩm Tính chất

Nguyên liệu: 80% RA+20%LCO

P 50 bar VVH 1

P 75 bar VVH 0.5

- Khôi lượng riêng ở 15oC (kg/lit) - Độ nhớt (cSt) 20oC 50oC - Lưu huỳnh(%) - Thành phần cất(oC) PI 50% 90% PF - Chỉ số cetan - Thành phân hoá học (% kl) Paraffin Naphten Mono aromatic Di aromatic Tri aromatic Benzothiophen Dibenzothiophen

0.862 5.55 2.76 1.16 214 288 332 353 49 36.5 24.3 14.2 15.4 1.8 5.4 2.4

0.838 5.12 2.63 0.0022 213 278 324 346 53.9 36.9 37.7 20.2 4.5 0.4 0.3 0.0

0.827 4.9 2.54 0.0004 212 275 324 347 60.2 41.5 51.8 6 0.7 0.0 0.0 0.0



Các nguồn dùng để phối trộn gasoil

Nguồn

nguyên liệu

Dầu thô paraffin Dầu thô

naphten

Phần cất của

DSV

Phần cặn của RSV

Quá trình xử

lý

DA DA FCC HCK VB CK HCK

Hiệu suất (%

kl)

30.3 32.8 36.7 29.2 47.2 10÷15 -- 5÷15 35 --

d15

4(kg/l) 0.835 0.825 0.843 0.827 0.856 0.93 0.835 0.845 0.900 0.855

Thành phân

cất

PI

PF

170

370

180

375

170

400

180

350

170

370

170

370

200

358

170

370

170

370

196

343

Điểm vẫn đục

(oC)

-5 -2 +1 -10 -20 -5 -14 -4 -8 -15

Điểm chảy

(oC)

-12 -9 -6 -18 -33 -14 -25 -18 -20 -26

Chỉ số cetan 50 51 54 54 43 24 58 40 28 50

Hàm lượng

lưu huỳnh

(% kl)

0.12 0.04 0.83 0.80 0.09 2.8 0.02 2.33 2.10



2.3. Nguyên tắc hoạt động và đặc điểm quá trình cháy trong động cơ Diesel

Để khảo sát thành phần và tính chất nhiên liệu Diesel ảnh hưởng đến quá trình

hoạt động của động cơ và vấn đề ô nhiễm môi trường, trước hết ta xét sơ lược về hoạt

động và đặc điểm quá trình cháy của nhiên liệu trong động cơ Diesel.

2.3.1. Vài nét lịch sử động cơ Diesel

Động cơ Diesel mang tên của nhà phát minh nổi tiếng Rudolf Diesel. R.Diesel

sinh năm 1858 là kỹ sư người Đức nhưng phần lớn hoạt động nghiên cứu máy móc

của Ông thực hiện ở Paris (Pháp). Năm 1892 tại Berlin R.Diesel được cấp bằng phát

minh nghiên cứu về sự hoạt động của một loại động cơ với nhiên liệu là dòng hơi

sương các hạt hydrocacbon. Tuy nhiên, đề tài này chỉ mang tính phác hoạ, sau đó đến

năm 1897 nguồn nhiên liệu của động cơ được thay thế bằng nguồn nhiên liệu có nguồn

gốc từ dầu mỏ (phân đoạn gasoil) và động cơ đã đem lại một hiệu suất đáng kể (247

g/ch.h), xylanh của động cơ Diesel đầu tiên này có thể tích 19,6 lít, cho một công suất

14,7 KW, với tốc độ quay trục khuỷu là 172 vòng/phút. Sau đó, loại động cơ này đã

được phát triển mạnh mẻ với nhiều chủng loại khác nhau và được ứng dụng rộng rãi

nhất là sau chiến tranh thế giới nhất trên các loại xe tải những năm 1930-1939.

Chiếc xe du lịch đầu tiên trang bị động cơ Diesel được giới thiệu bởi hãng

Mercedes năm 1936 (206D) nhưng thành công hơn là chiếc xe của hãng Peugoet

(Diesel 402) xuất xưởng năm 1938 (có 1000 khuôn mẫu).

Sau năm 1945, động cơ Diesel đã trở nên phổ biến trong các loại phương tiện

giao thông dân dụng nhưng nó chỉ tồn tại trong một số giới hạn cấu trúc, mẫu mã của

các hãng sản xuất ô tô lớn như Mercedes, Peugeot.

Đến những năm 1970, động cơ Diesel có sự phát triển vượt bậc. Các phương

tiện vận tải được trang bị động cơ Diesel với buồng đốt kiểu phun trực tiếp, các loại xe

du lịch với buồng đốt kiểu phun gián tiếp. Đến đầu năm 1980, thị trường các động cơ

Diesel cho các loại phương tiện vận tải đã bùng nổ trên toàn thế giới.



2.3.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ Diesel

Động cơ Diesel là một động cơ nhiệt dùng để biến năng lượng hoá học của

nhiên liệu khi cháy thành năng lượng cơ học dưới dạng chuyển động quay. Động cơ

này làm việc theo nguyên tắc một chu trình gồm kỳ: nạp, nén, cháy nổ và giản nở sinh

công, thải khí cháy ra ngoài. Sơ đồ nguyên lý như sau:

1.Trục khuỷu

2. Thanh truyền

3. Piston

4. Xylanh

5. Kim phun

Xupap naûp Xupap

1 G ÂC

5

4

2

3

ÂC

Sơ đồ động cơ Diesel 4 kỳ

Trong quá trình vận hành của động cơ, trục khuỷu quay theo chiều mũi tên,

piston đi động lên xuống trong xylanh, thanh truyền truyền vận động tịnh tiến của

piston cho trục khuỷu quay tròn. Ở đây ta có khái niệm điểm chất trên và điểm chất

dưới đó là các điểm tương ứng với vị trí cao nhất và thấp nhất của piston trong xylanh.

Chu trình công tác của động cơ Diesel được tiến hành như sau :

Kỳ 1 – Hành trình nạp

Khi piston đi từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới xupap xả đóng lại xupap

nạp mở ra không khí được hút qua xupap nạp vào trong xylanh.

Kỳ 2 – Hành trình nén

Sau khi đến điểm chết dưới piston sẻ đi ngược lên phía trên, lúc này cả hai

xupap đều đóng lại không khí trong xylanh được nén đến nhiệt độ cao khoảng

450÷500oC tuỳ thuộc vào tỷ số nén của động cơ.



Kỳ 3 – Hành trình Phun nhiên liệu chảyvà giản nở sinh công

Khi piston gần đến điểm chết trên thì nhiên liệu được bơm cao áp phun vào

dưới dạng các sương (các hạt có kích thước rất nhỏ), từ các hạt sương này nhiên liệu

sẻ bay hơi tạo với không khi một hỗn hợp tự bốc cháy. Nhờ vào kết quả của quá trình

cháy, nhiệt độ và áp suất trong xylanh tăng cao nên chúng đẩy piston chạy từ điểm

chết trên xuống điểm chết dưới và đồng thời thực hiện quá trình giản nở sinh công.

Kỳ 4 – Hành trình thải

Khi piston bị đẩy xuống điểm chết dưới theo lực quán tính nó ngược lên phía

trên, lúc này xupap xả mở ra để đẩy khí cháy ra ngoài và kết thúc một chu trình. Sau

chu trình này piston lại đi xuống phía dưới để thực hiện chu trình tiếp theo.

Trong thực tế thì các xupap đóng mở cũng như thời điểm phun nhiên liệu không trùng

với điểm chết trên và điểm chết dưới. Thường để nạp được nhiều không khí vào

xylanh người ta cho các xupap được mở sớm nhưng đóng muộn, còn nhiên liệu sẻ

được phun vào trước khi piston đến điểm chết trên khoảng lớn hơn khoảng 10 độ theo

gốc quay của trục khuỷu.

Như vậy, toàn bộ chu trình công tác được thực hiện theo bốn hành trình trong

hai vòng quay của trục khuỷu, trong bốn hành trình này chỉ một hành trình cháy và

giãn nở duy nhất sinh công, còn ba hành trình khác không sinh công.

2.3.3. Đặc điểm của quá trình cháy của nhiên liệu trong động cơ Diesel

Từ việc phân tích hoạt động của động cơ Diesel ở trên ta rút ra được những đặc

điểm của quá trình cháy trong động cơ này như sau:

Khác với động cơ xăng nhiên liệu được phối trộn trước trong bộ chế hoà khí thì

ở động cơ Diesel nhiên liệu không được phối trộn trước mà chỉ được phun vào xylanh

khi không khí đã được nén để đạt nhiệt độ và áp suất cao, ở trong điều kiện này thì

nhiên liệu bay hơi rồi tạo hỗn hợp tự bốc cháy mà không cần đến sự đánh lửa của bugi.

Trong động cơ xăng thì quá trình cháy phải được bắt đầu từ bugi sau đó lan

truyền đi theo các mặt cầu và nhiên liệu chỉ được phép cháy khi màng lửa lan tràn đến

còn trong động cơ Diesel thì quá trình bắt cháy có thể bất kỳ chổ nào trong xylanh mà

ở đó nhiên liệu được phối trộn tốt với không khí để có thể tự bốc cháy.



Nếu như trong động cơ xăng việc tăng công suất bằng cách tăng tỷ số nén sẻ

vấp phải hiện tượng nhiên liệu chịu nhiệt độ và áp suất cao sẻ tự bốc cháy khí mặt lửa

chưa lan truyền đến thì trong động cơ Diesel bắt buộc phải có tỷ số nén cao để bảo

đảm cho nhiên liệu có thể tự bay hơi và bốc cháy. Do đó công suất của động cơ Diesel

luôn lớn hơn công suất của động cơ xăng khi cùng mức tiêu thụ nhiên liệu.

Nhiên liệu sau khi phun vào buồng cháy nó không cháy ngay mà cần có một

thời gian nhất định để chuẩn bị, thời gian này được gọi là thời gian cháy trể hay thời

gian cảm ứng. Thời gian này dài hay ngắn phụ thuộc hoàn toàn vào bản chất của nhiên

liệu và cấu trúc của động cơ, nó thường được chia thành hai loại đó là thời gian cảm

ứng vật lý và thời gian cảm ứng hoá học, thời gian cảm ứng hoá học này được xác

định theo công thức thực nghiệm sau:

D = A P-nEXP(B/T)

Trong đó: A,B là các hằng số thực nghiệm.

So sánh lợi ích của động cơ Diesel và động cơ xăng Khi so sánh về lợi ích của động cơ Diesel so với động cơ xăng người ta nhận

thấy động cơ Diesel có nhiều lợi ích hơn theo nhiều gố độ

Xét về gốc độ nhiệt trị:

Nhiệt trị khối lượng của Diesel lớn hơn nhiệt trị khối lượng của xăng khoảng

10% do đó khi xem xét 2 động cơ có cùng hiệu suất thì động cơ Diesel tiêu thụ nhiên

liệu ít hơn khoảng 10%.

Xét về hiệu suất sử dụng nhiệt:

Hiệu suất sử dụng nhiệt của động cơ Diesel luôn lớn hơn động cơ xăng vì nó

không có lá trập để tạo ra độ âm áp trong giai đoạn hút do đó trên đồ thị P-V diện tích

của vùng áp suất thấp nhỏ hơn so với động cơ xăng. Tuy nhiên hiệu suất của động cơ

Diesel giảm nhanh khi tốc độ tăng lên do tổn thấp áp suất do ma sát tăng nhanh và quá

trình cháy trong thời gian ngắn kho khăn hơn so với động cơ xăng.



Xét về gốc độ nhiên liệu:

Giá thành của Diesel rẻ hơn xăng, theo tính toán ở nhà máy lọc dầu thì năng

lượng tiêu thụ để sản xuất Diesel nhỏ hơn sản xuất xăng khỏng 6% (13% so với 19%)

So sánh mức tiêu thụ nhiên liệu của động cơ Diesel và Xăng theo các điều kiện vận

hành khác nhau:

100 100 100 100 100116 115 120 113

124

020406080

100120140

D10,9;V

33,9

D17,9;V

34,3

D 19;V29,1

D5,8;V41,2

D2,5;V11,5

Quang đuong đi va van toc

Muc

tieu

hoa

nhi

en li

eu (k

g/10

0 km

)

ĐC Diesel ĐC Xăng

Vì những ưu điểm của động cơ Diesel mà chung được sử dụng ngày càng rộng

rải. Chung ta có thể thấy rả điều này qua số lượng nhiên liệu tiêu thụ tại thị trường

Pháp.

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

1980 1997 1998 1999

Muc

tieu

thu

(Trie

u ta

n)

XăngDieselFODD?u n?ng



2.4. Các chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu Diesel.

Như vừa thấy trong phần trước, quá trình cháy trong động cơ không phải là quá

trình cháy lý tưởng nên nó sẻ làm giảm công suất của động cơ, nhưng điều quan trọng

hơn cả là quá trình cháy không hoàn toàn này sẻ tạo ra các chất độc có hại cho con

người và môi trường. Do đó việc nghiên cứu nhằm làm giảm các chất độc này là điều

bắt buộc đối với các nhà sản xuất động cơ và nhiên liệu.

Đối với nhiên liệu Diesel thương phẩm nó phải đảm bảo được các tính chất sau:

2.4.1. Chỉ số xêtan IC (Indice de Cétane)

2.4.1.1. Định nghĩa

Chỉ số xêtan là một đại lượng qui ước đặc trưng cho khả năng tự bóc cháy của

nhiên liệu Diesel và được tính bằng % thể tích của n-xêtan trong hỗn hợp của nó với α

-mêtylnaphtalen khi hỗn hợp này có khả năng tự bóc cháy tương đương với nhiên liệu

Diesel đang khảo sát. Trong hỗn hợp này thì n-xêtan có khả năng tự bóc cháy tốt nên

trị số của nó được qui ước bằng 100, còn α-mêtỵlnaphtalen có khả năng tự bóc cháy

kém được qui ước bằng 0.

Trong thực tế một vài phòng thí nghiệm người ta dùng hephtametylnonan

(HMN) thay cho α-mêltỵnaphtalen, trong đó HMN có IC = 15.

2.4.1.2. Phương pháp xác định chỉ số xêtan

Chỉ số xêtan có thể xác định theo nhiều phương pháp khác nhau như do trực

tiếp trên động cơ hay xác định từ các tính chất của nó.

Việc xác định trực tiếp IC được thực hiện trên động cơ CFR (Coferation Fuel

Reseach) như trong động cơ xăng với gốc phun sớm nhiên liệu là 13 độ theo gốc quay

của trục khuỷu. Phương pháp này trong thực tế ít được sử dụng vì nó phức tạp và tốn

kém.

Chỉ số IC có thể được các định từ các tính chất của nhiên liệu Diesel, chỉ số thu

được gọi là chỉ số IC tính toán. Theo cách này thì trong thực tế cũng tồn tại nhiều công

thức khác nhau để xác định IC.



- Từ nhiệt độ sôi ứng với 50% chưng cất và tỷ trọng ta có thể xác định được IC

theo công thức sau:

CCI = 454,74-1641,41d+774d2 -0,554T50 +97,083(lgT50)2

Từ công thức này người ta đã xây dựng được đồ thị xác định như sau.

Xác định CI bằng phương pháp đồ thị

Vẽ đường thẳng qua 2 điểm : T50 và độ 0API (hoặc d415) đường thẳng này cắt vạch

thang chia IC tại CCI cần tìm.

Ví dụ :

Nhiên liệu có d415=0,84 (khối lượng riêng tiêu chuẩn) và T50=2800C (ASTM-

D86) ta tìm được CCI =56.

Trong phạm vi IC=40÷55 sai lệch giữa CCI và IC đo đạc là tương đối nhỏ nếu

nhiên liệu không sử dụng phụ gia cải thiện IC.

Trên đây là phương pháp được sử dụng nhiều trong thực tế. Ngoài phương pháp

này thì chỉ số IC cong có thể đước xác đinh từ nhiệt độ sôi 10%, 50% và 90%; từ điểm

anline hay từ việc phân tích sắc ký, khối phổ thành phần hoá học của nhiên liệu Diesel.



2.4.1.3. Cải thiện IC bằng phụ gia

Như trong phần đàu chúng ta đã thấy nhiên liệu Diesel thương phẩm được phối

trộn từ rất nhiều nguồn với chất lượng rất khác nhau, chẳng hạn như nguồn LCO của

quá trình FFC hay gasoil của các quá trình cốc hoá, giảm nhớt ... chỉ số IC rất thấp.

Khi đó nếu cần nâng cao chỉ số này thì người ta có thể dùng các phụ gia. Phụ gia nhằm

nâng cao chỉ số IC có nhiều loại khác nhau nhưng có thể chia thành hai nhóm như sau:

Nhóm thứ nhất bao gồm các hợp chất peroxyt

Nhóm thứ hai bao gồm các hợp chất nitrat alkyl

Các hợp chất peroxyt đã được biết đến từ lâu nhưng chung ít được ứng dụng vì

đây là các hợp chất rất kém bền và vấn đề giá cả. Trong nhóm thứ hai thì hợp chất 2-

Etylhecxyl nitrat được sử dụng nhiều nhất.

H H H H H H

C C C C C C

H C2H5 H H H H

HNO3

2.4.1.4. Ảnh hưởng của chỉ số IC lên hoạt động của động cơ

Trong thực tế ngày nay các động cơ Diesel có yêu cầu về chỉ số IC vào khoảng

40÷60 tuỳ theo tốc độ của động cơ, với khoảng yêu cầu này thì người ta dễ dàng đạt

được trong các nhà máy lọc dầu. Tuy nhiên điều quan trọng là phải sử dụng loại nhiên

liệu hợp với động cơ theo qui định của nhà chế tạo vì chỉ số này liên quan trực tiếp đến

thời gian cảm ứng.

Khi chỉ số IC giảm xuống thì thời gian cảm ứng sẻ tăng lên điều này sẻ ảnh

hưởng trực tiếp đến quá trình cháy trong động cơ, cụ thể là khi nhiên liệu phun vào có

chỉ số IC nhỏ sẻ có thời gian cảm ứng lớn do đó khi nó có thể tự bắt cháy thì khối

lượng nhiên liệu trong buồng cháy lớn nên quá trình cháy có thể xảy ra với tốc độ lớn

làm cho áp suất trong buồng cháy tăng cao một cách đột ngột, điều này sẻ tạo ra những

tiếng gỏ kim loại, gây nóng máy và làm giảm tuổi thọ của động cơ, ngoài ra khi tốc độ



cháy quá lớn thì một phần nhiên liệu có thể không cháy kịp mà bị phân huỷ do đó làm

giảm công suất và thải ra nhiều chất gây ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên sự ảnh hưởng

này sẻ ít hơn trong động cơ buồng cháy trước so với động cơ có buồng cháy trực tiếp.

Ngược lại, khi chỉ số IC quá cao thì thời gian cảm ứng sẻ quá nhỏ điều này có

thể dẫn đến quá trình tự bắt cháy quá sớm nên phần nhiên liệu phun vào sau có thể bị

phun vào trong khí cháy có nhiệt độ quá cao nên nhiên liệu không đủ thời gian để bay

hơi thì đã nhận được một lượng nhiệt quá lớn nên nó bị phân huỷ trước khi cháy, trong

trường này công suất của động cơ cũng bị giảm và khói thải ra nhiều chất độc hại cho

con người và môi trường.

2.4.2. Tỷ trọng

Theo tiêu chuẩn của Việt Nam: ≤ 860 kg/m3

Theo tiêu chuẩn của châu Âu trước 01/01/2000 : 820 ≤ ρ15.515.5 ≤ 860 kg/m3

Theo tiêu chuẩn của châu Âu từ 01/01/2000 : 820 ≤ ρ15.515.5 ≤ 845 kg/m3

Có nhiều phương pháp để xác định tỷ trọng, nhưng thông thường nó được xác

định theo 3 phương pháp sau:

Phương pháp dùng picnomet,

Phương pháp dùng phù kế,

Phương pháp dùng cân thuỷ tĩnh.

Trong các phương pháp trên thì phương pháp dùng picnomet là phương pháp cần

đến ít mẫu nhất và cho độ chính xác cao nhất. Như vậy phương pháp này có ý nghĩa

lớn khi có ít mẫu và đòi hỏi độ chính xác cao. Phương pháp này có thể áp dụng cho

các loại mẫu khác nhau. Nhược điểm duy nhất của phương pháp này cần nhiều thời

gian.

Từ nguyên tắc hoạt động của động cơ Diesel ta nhận thấy nhiên liệu trước khi cháy

chúng phải trải qua một quá trình biến đổi từ việc bị phân chia thành các hạt sương sau

khi qua kim phun cao áp, hoá hơi để trộn lẫn với không khí và biến đổi để tự bốc cháy,

các quá trình này đều liên quan trực tiếp đến tỷ trọng của Diesel.



Khi khối lượng riêng lớn thì động năng của dòng nhiên liệu lớn, nhiên liệu bị phun

đi xa hơn khi đó không gian trộn lẫn của nhiên liệu với không khí lớn. Tuy nhiên, khi

nhiên liệu có khối lượng riêng lớn thì thường độ nhớt của nhiên liệu cũng lớn nên khả

năng bay hơi tạo với không khí hỗn hợp tự bóc cháy thấp điều này làm cho quá trình

cháy của nhiên liệu kém.

Nếu như khối lượng riêng lớn quá thì khi phun nhiên liệu có thể va đập vào thành

của buồng cháy, điều này sẻ làm loảng màng dầu bôi trơn trên thành của buồng cháy

gây ra hiện tượng mài mòn.

Ngoài ra khi bị phun vào màng dầu bôi trên thành xylanh thì nhiên liệu sẻ bị hấp

thụ trong màng dầu này, sau đó trong giai đoạn thải khí cháy chúng có thể bay hơi theo

khí cháy và được đẩy ra ngoài làm tăng hàm lượng các chất độc hại trong khí thải.

Khi hai loại nhiên liệu có cùng giới hạn sôi thì nhiên liệu nào có khối lượng riêng

cao hơn thì sẽ có hàm lượng các hydrocacbon thơm và naphtenic cao hơn, nhiên liệu

có khối lượng riêng thấp sẽ chứa nhiều parafin. Tuy nhiên, việc khống chế giá trị tối

đa của khối lượng riêng để tránh đưa vào nhiên liệu các phần nặng gây khó khăn cho

quá trình tự bốc cháy, tăng độ giàu của nhiên liệu làm tăng thải ra khói đen, bồ hóng.

Qua phân tích trên cho thấy khôi lượng riêng của nhiên liệu sẻ có những ảnh

hưởng đến quá trình sử dụng nhiên liệu Diesel qua các thông số sau:

Công suất của động cơ

Tiêu thụ riêng

Hàm lượng CO, HC, Particules trong khói thải.

2.4.3. Thành phần cất

Cũng tương tự như nhiên liệu xăng, nhiên liệu Diesel là một hỗn hợp của rất

nhiều các hợp chất khác nhau có nhiệt độ sôi thay đổi trong khoảng rộng. Thực tế,

trong khoảng phân đoạn của nó thì ở nhiệt độ nào cũng có các hydrocacbon tương ứng

bay hơi, nhưng điều cần quan tâm ở đây là ở một nhiệt độ nhất định thì cường độ bay

hơi của các cấu tử khác nhau là không giống nhau. Vì vậy để đặc trưng cho độ bay hơi

của nhiên liệu Diesel thì người ta dùng hai khái niệm là Thành phần cất. Nhờ khái



niệm này mà ta có thể biết được sự phân bố của các hydrocacbon trong nhiên liệu

Diesel.

Những khái niệm và định nghĩa được dùng ở đây cũng như đã nêu trong phần

nhiên liệu cho động cơ xăng.

Thành cất được xác định theo phương pháp thử ASTM-D86.

Cũng tương tự như xăng, nhiên liệu diesel cũng cần phải có thành phần cất theo

quy định để bảo đảm cho quá trình hoạt động của động cơ bởi độ bay hơi của nhiên

liệu sẻ ảnh hưởng trực tiếp quá trình cháy của nó trong buồng cháy, nhưng điều cần

phải chú ý ở nhiên liệu Diesel là nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối thay đổi trong khoảng

rộng (do nhiên liệu Diesel được phối trộn từ nhiều nguồn có khoảng nhiệt độ rất khác

nhau như đã nêu ở trên và cũng tuỳ theo yêu cầu về chất lượng của nó) nên người ta

thường không quan tâm nhiều như trong động cơ xăng, thường đối với nhiên liệu

Diesel thì người ta quan tâm đến phần trăm chưng cất ở một số nhiệt độ nhất định.

Theo tiêu chuẩn Việt Nam thì có hai giá trị như sau:

Điểm cất ở 50% thể tích là 290 oC (E50)

Điểm cất ở 90% thể tích là 350 oC (E90)

Theo tiêu chuẩn Châu Âu thì có ba giá trị sau được quan tâm:

Ở 250oC thành phần cất thu được phải nhỏ hơn 65%

Ở 350oC thành phần cất thu được phải lớn hơn 85%

Ở 370oC thành phần cất thu được phải lớn hơn 95%

Ở Hoa Kỳ thì người ta phân biệt hai loại gasoil đó là gasoil dùng cho phương

tiện giao thông vận tải và gasoil dùng cho các máy móc công nghiệp, trong loại thứ

nhất thì nhiệt độ ở 90% chưng cất phải nhỏ hơn 288oC, còn loại thứ hai nhiệt độ này

mằn trong khoảng 282 oC ÷ 338 oC.

Tuy nhiên, những giá trị của nhiệt độ sôi đầu cũng không được quá thấp và

nhiệt độ cuối không được quá cao vì điều này sẻ ảnh hưởng xấu đến việc sử dụng

trong động cơ. Nếu nhiệt độ cuối cao quá tức là trong thành phần của nó chứa nhiều

cấu tử nặng làm cho quá trình bay hơi để tạo hỗn hợp tự bóc cháy kém làm tăng quá



trình cháy không hoàn làm giảm công suất của động cơ (thực nghiệm cho thấy công

suất của động cơ sẻ giảm đi khoảng 1 ÷ 5%), tạo nhiều chất gây ô nhiễm môi trường,

làm loảng màng dầu bôi trơn trong buồng cháy hay làm giảm độ nhớt của dầu trong

carter như đã nêu đối với động cơ xăng. Ngược lại, khi nhiệt độ sôi đầu nhỏ nó không

ảnh hưởng trực tiếp công suất của động cơ, nhưng nếu như nhiệt độ đầu quá nhỏ thì

làm tăng độ bay hơi gây mất mát trong quá trình vận chuyển hay bảo quản hay làm

giảm độ nhớt của nhiên liệu có thể gây mài mòn kim phun.

2.4.4. Điểm chớt cháy

Những khái niệm và định nghĩa đã được nêu trong phần nhiên liệu xăng.

Cũng tương tự như trong phần trước, tiêu chuẩn này đặc trưng cho các phần nhẹ

dễ bay hơi trong nhiên liệu, khi phần nhẹ càng nhiều thì khả năng bay hơi càng lớn

điều này sẻ gây ra mất mát vật chất và điều quan trọng hơn cả là nó có thể tạo ra hỗn

hợp nỗ trong quá trình bảo quản và vận chuyển. Vì vậy chỉ tiêu này đặc trưng cho mức

độ an toàn của nhiên liệu Diesel.

Nếu như đối với xăng thì ở điều kiện thường độ bay hơi của nó lớn nên tạo hỗn

hợp với không khí nằm trên giới hạn nỗ thì ngược lại ở đây nhiên liệu Diesel có độ bay

hơi kém, ở điều kiện thường thì nó chỉ tạo được hỗn hợp nằm ở dưới giới hạn dưới của

hỗn hợp nổ. Tuy nhiên khi nhiên liệu Diesel có lẫn những phần nhẹ thì nó có thể tạo ra

những hỗn hợp nổ.

2.4.5. Độ nhớt (µ).

Độ nhớt của nhiên liệu là một đại lượng vật lý đặc trưng cho trở lực do ma sát

nội tại sinh ra ngay trong lòng chất lỏng khi có sự chuyển động tương đối của các phân

tử với nhau.

Độ nhớt có thể được biểu diễn dưới ba dạng chính như sau: độ nhớt động lực

(cP), độ nhớt động học (cSt) và độ nhớt quy ước.

Độ nhớt động lực hay độ nhớt tuyệt đối là đại lượng biểu diễn lực ma sát nội tại

thực sinh ra khi các phân tử chuyển động tương đối với nhau, hai loại độ nhớt còn lại

là những đại lượng chỉ cho biết giá trị tương đối hay gián tiếp.



Độ nhớt động lực được rút ra từ phương trình của Newton về chất lỏng chảy

trong dòng ở chế độ chảy dòng (phần lớn các chất lỏng đều có thể áp dụng được

phương trình này).

Phương trình của Newton được phát biểu như sau: Lực ma sát nội tại sinh ra

giữa hai lớp chất lỏng có sự chuyển động tương đối với nhau sẻ tỷ lệ với diện tích bề

mặt của hai lớp chất lỏng, với tốc độ biến dạng (không phải là gradient vận tốc).

Phương trình được biểu diễn như sau:

dzdvSF ..µ=

Trong đó:

F là lực tác dụng từ bên ngoài làm hai lớp chất lỏng chuyển động tương đối với

nhau và chính bằng lực ma sát sinh ra giưa hai bề mặt.

S là diện tích của hai bề mặt.

V là vận tốc tương đối giữa hai lớp chất lỏng.

Z là khoảng cách giữa hai lớp

µ là độ nhớt động học.

Độ nhớt động học có thể biểu theo nhiều đơn vị khác nhau tuỳ theo hệ thống

đơn vị sử dụng, nhưng thông thường thì trong lĩnh vực dầu khí nó thường được đo

trong hệ CGS, trong hệ thống này thìđơn vị của nó là Poise (P), thực tế thì hay dùng

đại lượng ước số của nó là centipoise (cP).

Cũng tương tự như thành phần cất hay tỷ trọng, độ nhớt cũng có những ảnh

hưởng trực tiếp đến hoạt động của động cơ. Thực tế khi độ nhớt quá lớn sẻ làm tăng

tổn thất áp suất trong bơm và trong kim phun, làm tăng kích thước của các hạt sương

nhiên liệu do đó các tia nhiên liệu sẻ bay xa nên nó có thể và đập vào thành của buồng

cháy để gây ra những tác hại như đã nêu trong phần trên.

Ngược lại, khi nhiên liệu có độ nhớt quá thấp sẻ làm tăng lưu lượng thoát ra ở

bơm nạp liệu, như vậy sẻ làm giảm lưu lượng thể tích thực thoát ra ở kim phun (bơm

cao áp). Trong trường hợp này thì kim phun được nâng lên chậm hơn điều này sẻ làm



giảm nhiên liệu cung cấp cho động cơ. Với nhiên liệu Diesel có độ nhớt nhỏ quá thì

khi phun vào xylanh nó sẽ tạo thành các hạt quá mịn, không thể tới được các vùng xa

kim phun có nghĩa là không gian để trộn lẫn giữa nhiên liệu - không khí nhỏ, điều này

làm cho quá trình tạo hỗn hợp tự bóc cháy không tốt đồng thời phần được phun vào

đầu có thể tự bắt cháy quá sớm nên phần phun vào sau có thể bị phun vào trong khí

cháy có nhiệt độ quá cao nên nhiên liệu Diesel không đủ thời gian để bay hơi thì đã

nhận được một lượng nhiệt quá lớn nên bị phân huỷ trước khi cháy. Như vậy, trong

trường này công suất của động cơ cũng bị giảm. Ngoài ra, nhiên liệu Diesel còn có tác

dụng bôi trơn cho bơm cao áp và các lò xo trong bộ phận bơm nên khi độ nhớt quá

nhỏ dễ gây ra sự rít làm mài mòn hệ thống này.

2.4.5. Các chỉ tiêu liên quan đến điều kiện làm việc ở nhiệt độ thấp

Như chúng ta đã biết nhiên liệu Diesel thương phẩm được phối trộn từ rất nhiều

nguồn khác với thành phần hoá học của nó có thể chứa các hydrocacbon có số nguyên

tử cacbon từ 10 ÷ 35. Muốn đảm bảo khả năng bay hơi tạo hỗn hợp tự bóc cháy trong

buồng cháy thì thành phần hoá học của nhiên liệu Diesel phải chứa một hàm lượng

nhất định các hydrocacbon Paraffin, nhưng chính các hợp chất sẻ gây ra cho nhiên liệu

Diesel những khó khăn khi nhiệt độ của môi trường xuống thấp.

Khi nhiệt độ xuống thấp các hydrocacbon n-paraffin có mạch dài sẻ kết tinh,

các tinh thể này có dạng hình kim chúng dễ tạo ra các khung tinh thể để chứa những

phần còn lại, điều này sẻ làm giảm độ linh động của nhiên liệu. Khi nạp liệu cho động

cơ thì nhiên liệu Diesel phải đi qua một hệ thống lọc có một lưới lọc với kích thước

khoảng vài micromet. Trong trường hợp này các tinh thể paraffin có thể làm bít các lỗ

của lưới lọc dẫn đến sai lệch về lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ đồng thời các

tinh thể paraffin này còn có thể gây những ảnh hưởng xấu cho bơm nhiên liệu.

Qua những phân tích ở trên cho thấy việc cần thiết phải có những tiêu chuẩn để

đảm bảo cho nhiên liệu Diesel có khả năng làm việc được ở nhiệt độ thấp.

Trong thực tế, để đặc trưng cho khả năng làm việc của nhiên liệu Diesel ở nhiệt

độ thấp người ta dùng ba khái niệm khác nhau, đó là: Nhiệt độ vẫn đục, Điểm đông

đặc (điểm chảy), Nhiệt độ lọc tới hạn.



Giá trị quy định cho các tiêu chuẩn này phụ thuộc vào từng Quốc gia, từng châu

lục và tuỳ thuộc theo mùa khác nhau và cuối cùng là tuỳ theo loại nhiên liệu Diesel.

2.4.5.1. Điểm vẫn đục

Điểm vẫn đục là nhiệt độ mà ở đó bắt đầu xuất hiện sự kết tinh của các phân tử

paraffin trong hỗn hợp của nó ở điều kiện thí nghiệm.

Việc xác định điển vẫn đục được tiến hành theo các tiêu chuẩn ISO 3015 hoặc

ASTM D2500, trước đây các kết quả quan sát bằng mắt, ngày này nhiều phòng thí

nghiệm đã trang bị các thiết bị bán tự động và kết quả không còn quan sát bằng mắt

nữa mà nó được đọc nhờ hai sợi cáp quang.

Giá trị của điểm vẫn đục thay đổi tuỳ theo Quốc gia hoặc khu vực nhưng thông

thường nó nằm trong khoảng 0 đến -15oC nó cũng có thể lên đến 14oC ở các nước

nóng nhưng cũng có thể xuống - 40oC ở các nước quá lạnh.

2.4.5.2. Điểm đông đặc hay điểm chảy

Điểm đông đặc là điểm mà giá trị của nó chính bằng giá trị của nhiệt độ cao

nhất mà ở đó nhiên liệu Diesel còn có thể chảy lỏng.

Giá trị của điểm đông đặc thay đổi tuỳ theo Quốc gia hoặc khu vực, khoảng

giao động của nó rất rộng từ + 4oC đến -39oC, nhưng thông thường nó nằm trong

khoảng từ - 18oC đến - 30oC.

Việc xác định điển đông đặc được tiến hành theo các tiêu chuẩn ISO 3016 hoặc

ASTM D97.

Trong thực tế thì việc xác định điểm đông đặc cũng tương tự như điểm vẫn đục,

ở đây người ta cho 40 ml nhiên liệu Diesel vào trong ống thuỷ tinh đậy nắp kín có gắn

nhiệt kế, trước hết đun nóng hỗn hợp đến 45oC sau đó làm lạnh với tốc độ xác định

cho đến nhiệt độ lớn hơn khoảng 9oC so với nhiệt độ điểm chảy dự đoán thì ta bắt đầu

thí nghiệm tức là đặt ống nghiệm sang trang thái nằm ngang, nếu nhiên liệu Diesel

trong ống nghiệm bị chảy thì tiếp tục làm lạnh xuống thêm 3oC nữa rồi lặp lại thao tác

trên cho đến khi nhiên liệu Diesel trong ống nghiệm không chảy khi đặt ông nghiệm

nằm ngang trong vòng 5 giây thì ta dùng thí nghiệm. Điểm đông đặc bằng giá trị của

nhiệt độ khi dừng thí nghiệm cộng thêm 3.



2.4.5.3. Nhiệt độ lọc tới hạn

Hai tiêu chuẩn vừa nêu trên nhằm đánh giá độ linh động của nhiên liệu Diesel

khi đã có sự kết tinh với một lượng đáng kể tức là lượng tinh thể paraffin có thể đủ để

bít phim lọc làm tắt quá trình nạp liệu cho động cơ. Tuy nhiên trong thực tế khi nhiệt

độ giảm một mức độ nào đó mà các tinh thể paraffin chưa xuất hiện hoặc xuất hiện

chưa nhiều nhưng độ nhớt của nhiên liệu Diesel đã tăng lên một cách đáng kể, khi đó

nó sẻ làm giảm tính linh động của nhiên liệu nên nó có thể làm giảm lưu lượng của

nhiên liệu cung cấp cho động cơ, điều này sẻ có những ảnh hưởng xấu đến quá trình

hoạt động của nó. Vì vậy để đảm bảo cho động cơ Diesel làm việc tốt trong điều kiện

này thì người ta đưa ra tiêu chuẩn nhiệt độ lọc tới hạn. (TLF)

Nhiệt độ lọc tới hạn là nhiệt độ cao nhất mà ở đó một thể tích xác đinh của

nhiên liệu Diesel (20ml) không chảy qua được một hệ thống lọc có kích thước xác

định trong khoảng thời gian xác định (60 giây) ở điều kiện thí nghiệm (độ chân không

20mbar).


Như chúng ta đã biết lưu huỳnh trong dầu thô cũng như trong các sản phẩm của

nó tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau như: Lưu huỳnh dạng nguyên tố, H2S,

mercaptan, sulfua, disulfua, dị vòng . . . tuỳ theo dạng tồn tại của nó mà nó có thể gây

ăn mòn trực tiếp hay gián tiếp.

Nếu như trong nhiên liệu xăng lưu huỳnh tồn tại chủ yếu dưới dạng mercaptan

gây ăng mòn trực tiếp thì trong nhiên liệu Diesel dạng tồn tại này hầu như không còn

nữa mà chủ yếu dưới dạng sulfua, disulfua hay dị vòng không có khả năng ăn mòn

trực tiếp mà chúng chỉ gây ăn mòn khi bị cháy trong động cơ để tạo ra SO2 sau đó nó

có thể chuyển một phần thành SO3.

Phần lớn lượng khí này thoát ra ngoài cùng khí cháy, nhưng có thể một phần

nhỏ lọt qua các xecmăng để vào trong carter chứa dầu và khi nhiệt độ trong carter này

xuống thấp thì chúng kết hợp với hơi nước để tạo ra các axit tương ứng gây ăn mòn

các bề mặt chi tiết khi dầu được bơm trở lại các bề mặt bôi trơn.



Trong các động cơ hiện đại ngày nay, nhằm làm giảm hàm lượng các chất gây ô

nhiễm cho môi trường trong khói thải thì động cơ được trang bị bộ xúc tác để chuyển

các chất độc hại thành các chất không hoặc kém độc hại hơn. Khi có mặt các khí SOx

trong dòng khí thải nó sẻ làm giảm hoạt tính, ngộ độc xúc tác và ảnh hưởng đến nhiệt

độ làm việc của bộ xác tác. Sự ảnh hưởng này được thể hiện trên đồ thị sau:

240

% HC được chuyển hoá

(0C)

20

40

60

200

220∆θ = 25oC

180

160

0 %S

0,05%S

0,15%S

Nhiệt độ khí vào bộ xúc tác

Ngoài ra, khi hàm lượng lưu huỳnh tăng thì nó sẻ làm giảm nhiệt cháy của

nhiên liệu Diesel vì vậy nó sẻ làm tăng hàm lượng các hydrocacbon chưa cháy, bồ

hóng, muội than trong sản vật cháy do đó càng làm mài mòn máy móc. Thực nghiệm

cho thấy :

-Hàm lượng lưu huỳnh khoảng 0,06% khối lượng nhiên liệu thì lượng muội

than sinh ra trên secmăng và piston là 2,1%.

-Hàm lượng lưu huỳnh khoảng 0,85% khối lượng nhiên liệu thì lượng muội

than sinh ra trên secmăng và piston là 5,8%.

-Hàm lượng lưu huỳnh khoảng 2,9% khối lượng nhiên liệu thì lượng muội than

sinh ra trên secmăng và piston là 12,2%.



2.4.7. Độ ổn định oxy hoá Nhiên liệu Diesel thương phẩm được phối trộn từ nhiều nguồn khác nhau trong

đó có nhiều nguồn thu được từ các quá trình chế biến sâu mà trong thành phần của nó

có chứa nhiều hợp chất kém bền như olefin, diolefin, aromatic . . .

Trong quá trình chế biến, vận chuyển, bảo quản cũng như trong quá trình nạp

liệu cho động cơ thì nhiên liệu luôn tiếp xúc với các tác nhân gây oxy hoá như oxy,

nhiệt độ và cả sự có mặt của xúc tác thì nhiên liệu sẻ bị biến đổi để tạo ra các hợp chất

như nhựa, cặn . . . đây là các hợp chất có hại của nhiên liệu vì nó có thể gây ăn mòn,

gây tắt nghẽn phim lọc . . . vì vậy cần thiết nhiên liệu Diesel phải đảm bảo được tiêu

chuẩn này.

2.4.8. Độ ăn mòn tấm đồng Mặc dù phần lớn các thành phần chứa lưu huỳnh đã được loại ra khỏi nhiên liệu

trong quá trình chế biến nhưng việc loại ra toàn bộ là không khó thực hiện về mặt công

nghệ và không kinh tế. Mặc dù phần còn lại trong sản phẩm là không nhiều nhưng sự

tồn tại của nó cùng với sự tồn tại của các hợp chất hữu cơ chứa oxy cũng có thể gây ra

sự ăn mòn mạnh đối với các bộ phận của động cơ. Vì vậy, hàm lượng của các hợp chất

này trong nhiên liệu Diesel cũng cần phải nằm trong một giới hạn nhất định. Giới hạn

này được biểu diễn qua phép thử tính chất ăn mòn tấm đồng.

Tiêu chuẩn việt Nam về độ ăn mòn tấm đồng đối với nhiên liệu Diesel theo

phương pháp thử ASTM-D130 tối đa là mức N1.

2.4.9. Hàm lượng nước Nước trong nhiên liệu cũng rất nguy hiểm cho động cơ vì chúng gây ăn mòn

mạnh và rỉ, gây trở ngại cho quá trình cháy. Trong quá trình chưng cất khí quyển, phân

đoạn gasoil trước khi được lấy ra luôn phải qua quá trình tripping bằng hơi nước, sau

đó nước đã được tách loại nhưng nó vẫn còn một giới hạn nhất định. Hơn nữa, trong

quá trình bảo quản do sự thở của các bể chứa nên một lượng nước từ hơi ẩm của

không khí sẻ đi vào trong nhiên liệu Diesel.

Hàm lượng nước trong nhiên liệu Diesel được xác định theo phương pháp đo

ASTM-D95.



2.4.10. Màu sắc Tuy rằng đây không phải là một chỉ tiêu thực sự về chất lượng sản phẩm nhưng

đối với nhiên liệu Diesel khi có màu sắc nằm ngoài phạm vi màu qui định thì có thể

cho biết đó có thể là, sự biến chất của nhiên liệu, quá trình tạo nhựa . . .

Tiêu chuẩn Việt Nam (phương pháp đo ASTM-D1500 theo thiết bị chuẩn của

hãng Saybolt Universal) thì màu tối đa của nhiên liệu Diesel là mức N2 [6].

2.4.11. Phụ gia dùng cho nhiên liệu Diesel Như đã được nhắc nhiều lần trong các phần trước thì trong nhà máy lọc dầu

nhiên liệu Diesel luôn được phối trộn từ nhiều nguồn khác nhau, trong đó có những

nguồn có chất lượng tốt nhưng cũng có những nguồn có chất lượng thấp.

Để bảo đảm các tiêu chuẩn cho nhiên liệu Diesel thương phẩm thì bắt buộc phải

có những phân xưởng xử lý. Sự vận hành của phân xưởng này thường tốn kém hơn

nữa sau quá trình xử lý thì hiệu suất thu hồi sản phẩm sẻ giảm xuống, như vậy sẻ

không kinh tế. Trong thực tế ở các nhà máy lọc dầu thì người ta thường xử lý một

phần rồi dùng thêm các loại phụ gia khác nhau để nâng cao các tính chất cần thiết.

Có nhiều loại phụ gia khác nhau được dùng như: Phụ gia chống oxy hoá, phụ

gia cải thiện các tính chất ở nhiệt độ thấp, phụ gia tẩy rữa . . .



Chương III

NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG PHẢN LỰC

3.1. Giới thiệu chung về động cơ phản lực và nhiên liệu của nó

3.1.1. Sơ lược về lịch sử phát triển của động cơ phản lực và nhiên liệu của nó

Nhiên liệu cho động cơ phản lực là một loại nhiên liệu được sử dụng cho các

động cơ trên máy bay phản lực, loại động cơ này làm việc trong điều kiện rất đặc biệt

(nhiệt độ và áp suất môi trường thấp, ở độ cao lớn). Vì vậy nhiên liệu cho nó đòi hỏi

một sự khắt khe nhất trong tất cả các loại phương tiện giao thông.

Lịch sử chiếc máy bay có thể tính bắt đầu vào ngày 09/09/1890 khi Clement

Ader cho thử nghiệm thành công loại thiết bị có thể bay trên mặt đất, chiều dài mỗi

chuyến bay khoảng 50 m. Clement Ader đặt tên cho nó là "máy bay".

Ngày 17 tháng 12 năm 1903 người ta đã sản xuất được loại máy bay trang bị

động cơ piston với công suất 16 sức ngựa có hai cánh quạt, nhưng bước ngoặc trong

ngành hàng không phải đợi đến ngày 15 tháng 9 năm 1904 và ngày 20 tháng 9 năm

1904 người ta mới thực hiện được một hành trình trọn vẹn.

Động cơ piston cho ngành hành không đã phát triển mạnh mẻ từ năm 1910 đến

1930 và đã đạt được những thành công nhất định dưới gốc độ hiệu suất, nhưng nó bị

hiện tượng kích nổ của nhiên liệu không chế do đó ở đây người ta cũng sử dụng khái

niệm chỉ số octan như trong nhiên liệu của động cơ xăng.

Năm 1911 một kỹ sư người Pháp tên la René Lorin đã thiết kế động cơ phản

lực đầu tiên nhưng trên hoả tiễn sau đó nó đã được phát triễn bởi René Leduc năm

1937, những thành công trong lĩnh vực này đã cho phép chế tạo được loại động cơ

phản lực thẳng và chuyến bay đầu tiên của nó được thực hiên vào ngày 21/04/1949 ở

Pháp. Sau những thành công này người ta đã chế tạo được các loại động cơ phản lực

kiểu turbine. Sự thành công của loại này diễn ra trong thời chiến tranh thế giới thứ hai

từ năm 1939 đến 1944 với vận tốc cực đại đạt được đã trải qua từ 300 km/h đến 700

km/h.



Ngày 2 tháng 5 năm 1952 người Anh đã thực hiện được chuyến bay dân dụng

đầu tiên bằng máy bay phản lực để đánh dấu một kỷ nguyên mới cho loại động cơ này

đồng thời loại bỏ hoàn toàn loại máy bay trang bị động cơ piston.

Những thành công trong lĩnh vực này tiếp tục được phát triển, nâng cao và được

áp dụng rộng rãi cho đến những năm 1970 và được đánh dấu bằng sự ra đời của chiếc

máy bay dân dụng Concorde do người Anh và Pháp hợp tác sản xuất.

Ngày nay với hơn khoảng 15000 chiếc máy bay dân dụng tồn tại trên toàn thế

giới nó tiêu thụ khoảng 700 000 tấn nhiên liệu.

Như vậy thế hệ đầu tiên của máy bay là loại trang bị động cơ piston nhiên liệu

dùng cho nó được gọi là xăng máy bay. Những thế hệ máy bay tiếp theo được trang bị

động cơ phản lực như động cơ phản lực kiểu thẳng, cánh quạt, turbine. Ngày nay hai

loại cuối cùng này dược sử dụng phổ biến nhất.

Ở trong phần này ta chỉ nghiên cứu nhiên liệu dùng cho hai loại cuối cùng này,

loại này dược gọi chung là nhiên liệu cho động cơ phản lực.

3.1.2. Phân loại nhiên liệu dùng cho động cơ phản lực

Động cơ phản lực đã trãi qua nhiều thế hệ khác nhau từ khi xuất hiện, do đó

nhiên liệu của nó cũng phải thay đổi theo để đáp ứng được các yêu cầu mới. Hơn nữa

sự khác nhau này còn phụ thuộc vào mục đích sử dụng là quân sự hay dân dụng mà

yêu cầu về nhiên liệu cũng có những khác nhau nhất định. Trong thực tế thì nhiên liệu

dùng cho động cơ phản lực gần như giống nhau nhưng chúng được ký hiệu khác nhau

ở Hoa Kỳ và các vùng còn lại.



Sự phân loại của khối OTAN

Dạng nhiên liệu Phụ gia

chống đông

Ký hiệu

của

OTAN

Sử dụng

cho dân

dụng theo

tiêu chuẩn

ASTM

D1655

Sử dụng cho mục

dích quân sự

Kerosen

Kerosen có điểm chớt

cháy cao

Loại phân đoạn rộng

Loại có độ ổn định

nhiệt cao

Có

Không

Có

Không

Có

Không

Có

F-34

F-35

F-44

F-43

F-40

F-45

Jet A1

Jet B

TRO, JP-8,

AVTUR (TRO/ni*,

AVTUR)

TR5, JP-5

(TR5/ni*)

TR4, JP-4

(TR4/ni*)

TS, JP-7

Loại có nhiệt năng thể

tích cao

Có

Không

RJ-6, JP-9, JP-10

RJ-4, RJ-5

3.1.3. Nhiên liệu cho động cơ phản lực

Như cách phân loại trên thì nhiên liệu cho động cơ phản lực có thể được chia

thành ba dạng chính: Dạng Kerosen, dạng Kerosen với điểm chớt cháy cao và dạng

phân đoạn rộng.



Loại nhiên liệu được dùng cho các máy bay dân dụng trên thế giới là dạng

kerosen Jet A1 tương ứng F-35 của khối OTAN, ở Hoa Kỳ thì dùng cho máy bay dân

dụng này là loại Jet A tương tự như loại Jet A1 ở trên nhưng điểm chảy của nó cao hơn

(-40oC thay vì -47oC).

Đối với dạng thứ hai cho phép tồn chứa rất an toàn trong những khoang chứa

của máy bay. Còn loại thứ ba thì có nhiệt độ sôi đầu rất thấp khoảng 70oC, thực chất

đây là sản phẩm thu được từ việc phối trộn của phân đoạn naphta nhẹ với Kerosen.

Ngoài ra nhiên liệu phản lực còn có nhiều dạng khác nhau phục vụ cho những

mục đích khác nhau như loại nhiên liệu co nhiệt năng cao dùng cho hoả tiễn.

3.2. Nguyên tắc hoạt đông của động cơ phản lực

Quá trình hoạt động của động cơ phản lực có thể được chia thành ba giai đoạn

liên tiếp như sau: Hút và nén khí, cháy đẳng áp và giản nở để sinh công. Quá trình

cháy xãy ra liên tục trong một dòng khí có tốc độ lớn. Điểm khác nhau của động cơ

phản lực turbine và động cơ phản lực cánh quạt là ở phương thức chuyển động năng

của dòng khí cháy thành lực làm chuyển đông máy bay.

Ở động cơ phản lực turbine thì chỉ dùng một phần động năng của dòng khi thải

do nhiên liệu bị đốt cháy ở trong buồng cháy tạo ra để làm quay burtine - máy nén

phần động năng chủ yếu còn lại cho giản nở qua tuye ra ngoài với vận tốc lớn để tạo

nên một phản lực tác động lên động cơ làm cho động cơ chuyển động về phía trước. Ở

động cơ phản lực cánh quạt thì toàn bộ động năng của dòng khí cháy được giản nở qua

turbine nhằm làm quay máy nén và cánh quạt cùng các thiết bị phụ bên ngoài.

Sơ đồ nguyên lý của động cơ phản lực như sau:



Không khí đi vào động cơ qua cửa hút sau đó qua thiết bị phân phối. phần đốt

cháy được đưa vào máy nén nén đến một áp suất nhất định sau đó dòng khí được giảm

vận tốc đến giá trị thích hợp trước khi vào buồng cháy, ở đây không khí sẻ trộn lẫn với

nhiên liệu do bơm nhiên liệu đưa vào qua kim phun. Để khởi động động cơ, bugie

đánh lửa và hỗn hợp sẻ bắt cháy, khí cháy sinh ra được cho qua turbine tất cả hay chỉ

một phần như vừa nêu ở trên. Điều cần chú ý ở đây là bugie chỉ đánh lửa một lần trong

khoảng thời gian không quá 30 giây cho mỗi chuyến bay.

Qua phân tích nguyên tắc hoạt động của động cơ cho thấy muốn tăng tốc độ của

động cơ thì cần tăng động năng của dòng khí thải. Khi muốn tăng vận tốc của dòng khí

thải bằng cách tăng áp suất nén thì sẻ làm cho nhiệt độ của khí thải lớn, điều này có

thể vượt qua giới hạn chịu nhiệt của vật liệu làm buồng cháy . . . trong thực tế có hai

phương pháp để làm tăng vận tốc dòng khí thải như sau:

Động cơ phản lực có hai dòng khí nạp (Le Turboréarteur double flux)

Động cơ phản lực có hai vùng đốt cháy nhiên liệu.

3.3. Các chỉ tiêu về chất lượng của nhiên liệu cho động cơ phản lực

Trước khi nêu và phân tích các chỉ tiêu của nhiên liệu ảnh hưởng đến hoạt động

của động cơ phản lực ta có những nhận xét ban đầu về đặc điểm hoạt động của động

cơ phản lực như sau:

Quá trình cháy trong động cơ phản lực là một quá trình cháy đặc biệt trong

dòng khí xoáy có tốc độ lớn và động cơ làm việc trong điều kiện nhiệt độ và áp suất

môi trường thấp. Vì vậy để đảm bảo cho hoạt động của động cơ được ổn định thì nhiên

liệu phải đạt được những tính chất sau:

Những tính chất liên quan đến quá trình cháy

Những tính chất liên quan đến điều kiện làm việc ở độ cao lớn

Những tính chất liên quan đến quá trình bao quản và phân phối cho động cơ.

Cụ thể nhiên liệu phải Đảm bảo các yêu cầu chính sau đây:

Có khả năng bắt cháy tốt và không bị tắt trong dòng khí cháy

Tốc độ cháy lớn, cháy điều hoà



Cháy hoàn toàn và ít tạo cặn

Nhiệt cháy lớn (trên 10200 kcal/kg)

Nhiệt độ đông đặt thấp

3.3.1. Những chỉ tiêu liên quan đến quá trình cháy Trong động cơ phản lực thì quá trình cháy diễn ra trong một hệ mở nên tránh

được những hiện tượng kích nổ. Vì vậy, ở gốc độ này thì những tính chất liên quan

đến sự bắt cháy của nhiên liệu sẻ không ảnh hưởng lớn như trong nhiên liệu xăng và

Diesel. Tuy nhiên thành phần hoá học của nhiên liệu củng có những ảnh hưởng nhất

định đến tốc độ cháy của nhiên liệu do đó sẻ ảnh hưởng đến chất lượng của quá trình

cháy.

Các tính chất liên quan đến quá trình cháy này có thể phân thành hai nhóm:

Các tính chất vật lý của nhiên liệu

Các tính chất về nhiệt hoá học

3.3.2. Các tính chất vật lý của nhiên liệu Như đã nói trong phần trước, trong động cơ phản lực thì nhiên liệu được phun

vào trong một dòng khí có tốc độ lớn sau một khoảng thời gian nhất định mới bị đốt

cháy, thời gian này cần thiết cho nhiên liệu bay hơi và tạo hỗn hợp với không khí.

Chất lượng của quá trình cháy phụ thuộc nhiều vào cấu trúc hình học của buồng cháy

và thiết bị phun nhiên liệu. Tuy nhiên, các tính chất như độ bay hơi, sức căng bề mặt

độ nhớt của nhiên liệu sẻ có những ảnh hưởng lớn đến sự phun nhiên liệu và sự khuất

tán của nó vào trong không khí.

Nếu như độ bay hơi lớn thì khả năng bay hơi tạo hỗn hợp với không khí dễ

dàng cho quá trình cháy được tốt. Nhưng khi quá trình bay hơi quá lớn thì dễ tạo ra

hiện tượng nút hơi ảnh hưởng xấu đến quá trình nạp liệu cũng như các tính chất về an

toàn, mất mát vật chất.

Nhiên liệu được phun vào buồng cháy dưới dạng các hạt sương, ở đây nó sẻ tiếp

xúc với dòng không khí đã được nén đến nhiệt độ và áp suất nhất định, khi đó nhiên

liệu sẻ nhận nhiệt từ không khí để bay hơi. Nếu như sức căng bề mặt nhỏ thì khả năng

hoá hơi của các hạt sương này tốt do đó nhiên liệu càng dễ hoà trộn với không khí để



tạo hỗn hợp cháy tốt. Ngược lại, khi sức căng bề mặt lớn thì khả năng bay hơi tạo hỗn

hợp cháy sẻ kém nên quá trình cháy sẻ kém.

Nhiên liệu được phun vào buồng cháy dưới dạng các hạt sương, kích thước của

các hạt sương này cùng với không gian trong buồng cháy do các hạt sương này chiếm

chổ ngoài việc phụ thuộc vào cấu tạo và áp lực của kim phun thì độ nhớt của nhiên

liệu cũng có những ảnh hưởng đến quá trình này. Khi độ nhớt lớn thì các tia nhiên

liệu phun ra càng dài, nghĩa là không gian chiếm chổ của nhiên liệu càng lớn, đây là

điều có lợi cho quá trình bay hơi, nhưng ngược lại khi độ nhớt lớn thì kích thước của

các hạt sương lớn làm cho quá trình bay hơi sẻ kém. Ngoài ra khi độ nhớt lớn thì trở

lực trong hệ thống nạp liệu cũng lớn. Ngược lại, khi độ nhớt quá nhỏ thì nguy cơ gây

mài mòn hệ thống nạp liệu càng lớn.

3.3.3. Các tính chất về nhiệt hoá học Để bảo đảm cho hiệu suất sử dụng nhiệt cao và kéo dài tuổi thọ của các vật liệu

trong buồng cháy, turbine và tuye thì yêu cầu đặt ra là nhiên liệu khi cháy phải có

ngọn lửa sáng màu, hạn chế thấp nhất sự bức xạ nhiệt và sự tạo thành cặn cacbon. Đặc

trưng cho các tính chất này người ta đưa ra hai chỉ tiêu là điểm khói và chỉ số độ sáng.

Điểm khói hay còn được gọi là chiều cao ngọn lửa không khói là chiều cao

tính bằng mm của một ngọn lửa thu được khí đốt cháy nhiên liệu trong một ngọn đèn

tiêu chuẩn không tạo ra khói. Chiều cao ngọn lửa không khói là một đại lượng đặc

trưng cho khả năng chống tạo cặn của nhiên liệu khi bị đốt cháy hay khả năng cháy

hoàn toàn của nhiên liệu. Chiều cao ngọn lửa không khói càng lớn thì càng tốt, giá trị

của nó liên quan trực tiếp đến thành phần cấu trúc của nhiên liệu. Họ paraffin cho giá

trị này cao nhất còn họ aromatic cho giá trị này thấp nhất.

Ở đây ta cần phân biệt điểm khói và chỉ số khói, chí số khói thường được dùng

cho loại nhiên liệu động cơ phản lực loại phân đoạn rộng và nó liên hệ với điểm khói

qua công thức sau:

Chỉ số khói = Điểm khói + 0.42Z

Trong đó Z là phần trăm chưng cất của nhiên liệu ở 400oF



Chỉ số độ sáng được đo trên cùng ngọn đèn chuẩn của điểm khói nhưng ở đây

người ta gắn thêm cặp nhiệt điện để có thể đo nhiệt độ ở các độ cao khác nhau của

ngọn lửa. Cường độ sáng của nhiên liệu được so sánh với hỗn hợp hai hydrocacbon là

Tetraline và Isooctane trong đó người ta quy định độ sáng của Isooctan là 100 còn

Tetraline bằng 0. Đây chính là ly do người ta khống chế hàm lượng của aromatic trong

nhiên liệu cho động cơ phản lực dưới 22%.

3.3.4. Các tính chất liên quan đến điều kiện làm việc ở độ cao lớn

Các thế hệ máy bay dân dụng ngày nay thường bay ở độ cao khoảng 9000 ÷

11000 m trong nhiều giờ liền không tiếp nhiên liệu. Ở độ cao này thì nhiệt độ và áp

suất bên ngoài vào khoảng -50 oC và 300 mbar. Vì vậy, để đảm bảo cho chuyến bay thì

nhiên liệu phải thoả mãn các chỉ tiêu về nhiệt trị, khả năng linh dộng ở nhiệt độ thấp.. .

3.3.4.1. Khối lượng riêng và nhiệt cháy

Đối với nhiên liệu cho động cơ phản lực thì người ta nghiên cứu đồng thời khối

lượng riêng và nhiệt cháy bởi vì hai đại lượng này có những ảnh hưởng ngược nhau

lên hiệu suất sử dụng của nhiên liệu, do đó nó ảnh hưởng lên chiều dài chuyến bay.

Đối với mỗi loại máy bay thì kích thước của thùng chứa đã cố định. Khi khối

lượng riêng nhỏ sẻ giảm được tổng khối lượng của nhiên liệu mà máy bay phải mang

theo trong hành trình của nó. Tuy nhiên, khi khối lượng riêng nhỏ thì nhiệt cháy tổng

thể tích hay khối lượng của toàn bộ nhiên liệu chứa trong thùng với cùng một kích

thước như trên sẻ nhỏ hơn do đó chiều dài của đường bay sẻ ngắn lại.

Ví dụ:

Xét hai loại nhiên liệu có khối lượng riêng và nhiệt cháy như sau:

Loại I có ρ = 0.790 kg/dm3 với PCIv = 34356 kJ/ dm3, PCIm = 43500 kJ/kg

Loại II có ρ = 0.880 kg/dm3 với PCIv = 37180 kJ/ dm3, PCIm = 42250 kJ/kg

Giả sử thùng chứa của của máy bay có thể tích 10 000 dm3 khi đó lượng nhiệt

của hai nhiên liệu tảo ra khi đốt cháy như sau:

Loại I: PCIm1 = 0.790*10000*43500 = 343650000 kJ

Loại II: PCIm2 = 0.880*10000*42250 = 371800000 kJ.



Như vậy, khi khối lượng riêng tăng lên thì tổng nhiệt cháy thu được sẻ tăng,

nhưng cùng với việc tăng khối lượng riêng thì độ nhớt cũng tăng lên điều này sẻ làm

giảm khả năng bay hơi của nhiên liệu do đó dễ dẫn đến quá trình cháy kém tức là quá

trình cháy không hoàn toàn, cho nhiều chất ô nhiễm môi trường.Vậy, muốn sử dụng

tốt nhiên liệu cho động cơ phản lực thì ta cần nghiên cứu nhiều về mối quan hệ của hai

đại lượng này.

3.3.4.2. Độ linh động ở nhiệt độ thấp

Như đã trình bày ở trên, khoảng sau vài giờ bay ở một độ cao lớn thì nhiệt độ

của nhiên liệu trong thùng chứa sẻ đạt được nhiệt độ của môi trường bên ngoài

(khoảng - 50oC), khi đó các phân tử họ paraffin trong thành phần của nhiên liệu dễ kết

tinh tạo thành các khung tinh thể chứa phần nhiên liệu còn lại do đó sẻ làm giảm độ

linh động của nhiên liệu, hơn nữa các tinh thể này có thể làm bít các lỗ của phim lọc

điều này là rất nguy hiểm cho sự hoạt động của động cơ.

Để đặc trưng cho điều này người ta đã đưa ra khái niệm: Nhiệt độ biến mất của

các tinh thể, đó là nhiệt độ mà ở đó các tinh thể kết tinh khi làm lạnh sẻ biến mất một

cách rỏ ràng khi được đun nóng trở lại.

Trong thực tế do quá trình chế biến, vận chuyển hoặc do hiện tượng thở của

các bồn chứa nhiên liệu mà trong thành phần của nó luôn chứa một lượng nước nhất

định. Ở nhiệt độ thấp các tinh thể này sẻ kết tinh nó cũng gây ra những ảnh hưởng xấu

như các tinh thể paraffin.

Để khắc phục các hiện tượng này thì người ta thương dùng phụ gia chống đông.

3.3.4.3. Sự bay hơi và thoát khí

Trong mỗi chuyến bay, sau khi cách cánh khoảng vài chục phút thì máy bay sẻ

đạt được độ cao của nó. Ở độ cao này thì nhiệt độ áp suất xuống rất thấp khoảng 0.3

bar cho độ cao 11000 m. Nhiệt độ của nhiên liệu trong thùng chứa cũng giảm dần

nhưng với tốc độ chậm hơn, sau khoảng và giờ bay nó mới đạt được nhiệt độ của môi

trường bên ngoài. Như vậy, sau khi máy bay cất cánh thì tồn tại một khoảng thời gian

nhất định mà ở đó nhiệt độ của nhiên liệu còn khá cao trong khi nhiệt độ và áp suất

của môi trường đã xuống rất thấp. Trong những điều kiện này phần nhẹ của nhiên liệu



rất dễ bay hơi và các khí hoà tan trong nhiên liệu cũng dễ dàng thoát ra ngoài (vì độ

hoà tan của các khí trong chất lỏng sẻ giảm dần cùng với áp suất).

Vì những lý do nêu trên mà trong thanh phần nhiên liệu người ta tránh tối đa sự

hoà tan của các chất khí và các phần nhẹ có độ bay hơi lớn và bắt buộc phải có hệ

thống điều chỉnh áp suất ở thùng chứa.

3.3.4.4. Độ ổn định nhiệt

Nhiên liệu cho động cơ phản lực trước khi đi vào buồng cháy nó có thể đi qua

một số vùng có nhiệt độ cao và đôi khi nó được dùng như chất tải nhiệt cho dầu bôi

trơn, chất lỏng thuỷ lực hay không khí cho hệ thống điều hoà vì vậy nhiệt độ của nhiên

liệu có thể tăng lên cao, do đó cần phải khống chế độ bền nhiệt của nhiên liệu.

Độ bền nhiệt của nhiên liệu phụ thuộc vào cấu trúc hoá học của các hợp chất có

trong thành phân của nó. Đối với các hydrocacbon thì độ bền nhiệt của paraffin lơn

hơn naphten và aromatic, còn đối với các phi hydrocacbon hay chất bẩn khác thì sự có

mặt của nó trong nhiên liệu có những ảnh hưởng rất xấu đến độ bền nhiệt. Sự có mặt

của oxy hoà tan các hợp chất của nitơ hay nước sẻ thúc đẩy các phản ứng oxy hoá hay

polymer hoá tạo các nhựa hay cặn.

3.3.4. Các tính chất liên quan sự an toàn trong tồn chứa và phân phối. Vì điều kiện làm việc của động cơ phản lực rất đặc biệt, một sự trục trặc nhỏ

trong quá trình vận hành của có thể gây ra một hậu quả khó lường trước được, vì vậy

việc bảo quản trong tồn chứa cũng như khi phân phối cần rất nghiêm ngặt. Các tính

chất liên quan đến nó ta sẻ lần lượt nghiên cứu.

3.3.4.1. Điểm chớp cháy

Cũng như nhiên liệu xăng hay Diesel điểm chớp cháy của nhiên liệu đặc trưng

cho mức độ hoả hoạn trong vận chuyển và bảo quản.

3.3.4.2. Tách loại nước trong nhiên liệu

Sự có mặt của nước là môi trường thuận lợi cho sự phát triển của vi sinh vật và

mấm. Ngoài ra nước còn gây ra nhiều tác hại khác.



Nước có mặt trong nhiên liệu có thể đến từ nhiều nguồn khác nhau như: Trong

dầu thô ban đầu nhưng trong quá trình chế biến chưa tách loại hết hoặc do sự thở của

các bồn chứa trong quá trình bảo quản hay khi vận chuyển. Thông thường lượng nước

còn lại sau quá trình chế biến là rất thấp có thể dưới dạng vết hoặc chỉ tính bằng phần

triệu. Khi vận chuyển đến các bể chứa bằng hệ thống đường ống thì để đẩy hết nhiên

liệu trong đường ống người ta dùng nước, lượng nước trộn lẫn trong nhiên liệu ở

trường hợp này khá lớn vì vậy các bồn chứa luôn có hệ thống xả nước nằm ở đáy của

bồn.

3.3.4.3. Sự ăn mòn của nhiên liệu

Sự ăn mòn của nhiên liệu mà ta nghiên cứu ở đây chỉ liên quan đến các hợp

chất của lưu huỳnh. Lưu huỳnh tồn tại trong nhiên liệu có thể dưới nhiều dạng khác

nhau như lưu huỳnh tự do, mercaptane, sulfua hydro, lưu huỳnh tự do, sulfua hay

disulfua. Tuỳ theo dạng tồn tại mà nó có thể gây ăn mòn trực tiếp hay gián tiếp. Trong

thực tế thì có nhiều phương pháp khác nhau để xác định hàm lượng các hợp chất này

như phương pháp của tiêu chuẩn ASTM D3227 để xác định hàm lượng mercaptane,

ASTM D4952 (còn gọi là Doctor test) dùng để xác định H2S, lưu huỳnh tự do và

mercaptan hay phương pháp đo độ ăn mòn trực tiếp trên tấm đồng, bạc theo tiêu chuẩn

ASTM D130.

3.3.4.4. Độ dẫn điện

Khi thực hiện quá trình vận chuyển hay bơm cho máy bay thì nhiên liệu có thể

tích một lượng điện tích rất lớn và có thể xãy ra hiện tượng phóng điện. Điều này dễ

gây ra hiện tượng nổ. Vì vậy để tránh hiện tượng cháy nổ này thì phải khống chế độ

dẫn điện của nhiên liệu. Độ dẫn điện của của nhiên liệu khi chưa có phụ gia rất thấp,

khi có mặt của phụ gia thì độ dẫn điện này tăng lên, để không chế độ dẫn điện này

người ta dùng phụ gia chống tĩnh điện, phụ gia này sẻ phân tán điện tích tích luỷ trong

khi vận chuyển hay bơm nhiên liệu cho may bay.



Chương IV NHIÊN LIỆU ĐỐT LÒ

4.1. Nhiên liệu đốt lò và vai trò của nó

Trong công nghiệp khi cần cung cấp nhiệt cho một quá trình nào đó thì người ta

có thể sử dụng nhiều nguồn năng lượng khác nhau như: Hợp chất vô cơ rắn, sản phẩm

dầu mỏ (GPL, dầu đốt, cốc), khí tự nhiên hoặc dùng điện.

Đối với dầu đốt thì người ta chia ra làm các loại khác nhau:

Dầu đốt nhẹ

Dầu đốt nặng

Dầu đốt nhẹ:

Đây là loại dầu được dùng chủ yếu để sưởi ấm nhà cửa tại vùng nông thôn, để chạy

các nhà máy nông nghiệp như máy kéo, máy làm đường, ... do đó có tên là dầu đốt gia

đình FOD (Fuel Oil Domestic). Về cơ bản không khác nhiều nhiên liệu diezen, nhưng

có một số tính chất kỹ thuật kém hơn, đặc biệt về trị số cetan, về tính chất nhiệt độ

thấp. Tuy nhiên, ở nước ta tính chất nhiệt độ thấp của FOD không phải là vấn đề cần

quan tâm.

Dầu đốt nặng

Loại dầu này dùng cho các lò công nghiệp, các lò nung, lò hơi, nhà máy phát

điện, các phương tiện giao thông trọng tải lớn như tàu thuỷ. . .

Trong các lĩnh vực trên thì dầu đốt nặng được sử dụng nhiều nhất cho việc cung

cấp nhiệt ở các lò công nghiệp nên thường hay gọi chung là nhiên liệu đốt lò. Ở trong

phần này ta chỉ nghiên cứu nhiên liệu đốt lò ở trạng thái lỏng và thu được từ dầu mỏ.

Nhiên liệu đốt lò thu được bằng cách phối trộn từ các phần cặn nặng ít giá trị kinh tế,

khó chế biến tiếp: cặn chưng cất chân không, cặn của các quá trình crăckinh, cốc hoá

giảm nhớt, phần trích ly thu được trong quá trình sản xuất dầu nhờn, nhựa đường . . .

cùng với một số phần nhẹ nhằm đảm bảo một số tính chất kỹ thuật như phân đoạn

kerosen, phân đoạn gasoil . . .



Ngoài những loại trên thì người ta còn tận dùng dầu bôi trơn được thải ra sau

khi đã sử dụng, dầu cặn từ các quá trình hoá dầu (crackinh hơi) . . .

Nhiên liệu đốt lò đóng một vai trò quan trọng trong nền công nghiệp nói chung

và công nghiệp Lọc - Hoá dầu nói riêng. Khi sử dụng tốt nguồn năng lượng của nhà

máy sẻ góp phần quan trọng đến hiệu quả kinh tế của nhà máy.

Trong nhà máy lọc dầu thì hiệu suất thu hồi các sản phẩm như sau:

Nguồn gốc BREGA Lybie BRENT Biển bắc Arabe leger SANFAYA

Arable lourd

Sản phẩm nhẹ 26 28 20 17

Phân đoạn

trung bình 37 33 35 29

Sản phẩm nặng 37 39 45 54

Nhu cầu về các loại sản phẩm như sau:

Năm 1973 1980 1990 2000

Sản phẩm nhẹ 29 31 35 37-39

Phân đoạn

trung bình

30 31 36 39-41

Sản phẩm nặng 41 38 29 20-24

Trong đó:

Sản phẩm nhẹ gồm: GPL, naphta, xăng ô tô

Phân đoạn trung bình gồm: Kerosene, nhiên liệu phản lực, Diesel, dầu đốt dân dụng

Sản phẩm nặng: Nhiên liệu đốt lò, bitum, dầu bôi trơn, cốc.



Như vậy, để đáp ứng được các yêu cầu trên thì trong nhà máy lọc dầu phải có

các thiết bị để chuyển hoá các phần nặng thành các phần nhẹ hơn. Các quá trình

chuyển hoá này sẻ tiêu thụ một phần năng lượng đáng kể, chúng ta sẻ thấy rỏ qua bảng

sau:

Hiệu suất của các dạng sản phẩm thu được với các quá trình khác nhau.

(dầu thô Arable leger)

Quá trình lọc

đơn giản

Quá trình chuyển

hoá thông thường

Quá trình chuyển

hoá sâu

Sản phẩm nhẹ 20 32 35

Phân đoạn trung bình 35 41 48

Sản phẩm nặng 41 20 5

Sự tiêu thụ năng lượng 4 7 12

Như vậy khi thực hiện các quá trình chuyển hoá càng sâu thì năng lượng tiêu

thụ càng lớn.

4.2. Thành phần hoá học và các nguồn thu nhiên liệu đốt lò từ dầu mỏ

4.2.1. Các nguồn thu nhiên liệu đốt lò

Như phần trên đã nêu, ngày nay do nhu cầu các sản phẩm nhẹ ngày càng tăng

và nhu cầu về các phần nặng thì ngày càng giảm. Vì vậy, buộc các nhà máy lọc dầu

phải có các thiết bị (các quá trình chế biến sâu) để biến đổi các phần nặng thành các

phần nhẹ. Việc xuất hiện các quá trình chế biến sâu đã làm thay đổi rất nhiều thành

phần hoá học của nhiên liệu đốt lò. Sự biến đổi này theo xu hướng làm giảm số lượng

và chất lượng của nhiên liệu đốt lò.

Cùng với sự thay đổi về yêu cầu của các sản phẩm dầu mỏ thì sơ đồ nhà máy

lọc dầu cũng đã biến đổi theo để đáp ứng được các yêu cầu đặt ra, sự thay đổi này thể

hiện qua 3 sơ đồ như sau:



Khí đốt


Chưng cất khí quyển

Dầu thô RC

Chất đốt

• Sơ đồ 1

Sơ đồ này bao gồm :

GPL

Xăng

HDS Kerosen Gazole/FOD

FO

Phân xưởng chưng cất khí quyển

Phân xưởng reforming xúc tác

Phân xưởng HDS

Nhiên liệu đốt lò thu được trong sơ đồ này chỉ đơn giản là phần cặn của quá

trình chưng cất trực tiếp ở áp suất khí quyển. Nó có khối lượng riêng nhỏ hơn 1000

kg/m3 ở 15oC và hàm lượng kim loại thấp.

* Sơ đồ 2

Khí đốt GPL

Chưng cất khí quyển

DSV FCC

HDS

RC

Chất đốt

Dầu thô Xăng

KEROSENE Gazole/FOD

FO


So với sơ đồ 1 thì ở đây có thêm phân xưởng chưng cất chân không và phân

xưởng cracking xúc tác nhằm chuyển hoá phần cặn nặng của quá trình chưng cất khí

quyển thành các phân đoạn nhẹ.

Nhiên liệu đốt lò thu được từ sơ đồ này là hỗn hợp của phần cặn của quá trình

chưng cất trực tiếp ở áp suất khí quyển và dòng sản phẩm cúa phân xưởng FCC có vai

trò như chất làm loãng để giảm độ nhớt. Nhiên liệu đốt lò đây chứa một hàm lượng lớn

lưu huỳnh và kim loại.

• Sơ đồ 3

VB

FCC

HDS

RCChưng cất khí quyển

Kerosen Gasole/FOD

Xăng

GPL

Dầu thô

Khí đốt

FO Chất đốt

Sơ đồ này có thêm phân xưởng giảm nhớt nhằm giảm nhớt của cặn nặng và tận

thu các thành phần nhẹ.

Nhiên liệu đốt lò thu được từ sơ đồ này là hỗn hợp các phần cặn của quá trình

giảm nhớt và các dòng chất pha loãng. Dòng chất pha loãng được sử dụng chủ yếu là

LCO, HCO của quá trình cracking xúc tác, GO thu được trực tiếp từ quá trình chưng

cất khí quyển. Nhiên liệu đốt lò thu được ở đây có độ ổn định kém và chứa một hàm

lượng lớn lưu huỳnh và kim loại.



Một vài tính chất của các phối liệu sản xuất dầu đốt công nghiệp

Tính chất RA RSV

Cặn

giảm

nhớt

LCO

(BTS)

HCO

(BTS)

Độ nhớt ở 100oC (cSt) 46 1500 7500 1 1.7

d415 0.972 1.026 1.040 0.899 0.942

Carbon Conradson

(%m)

10.8 18.9 26.9 < 0.1 <0.1

Asphaltène (%m) 3.2 6.4 16.6 0 0

Lưu huỳnh (%m) 3.4 4.5 4.8 0.5 1.0

Nitơ (ppm) 2500 3000 3500 370 1050

Kim loại (ppm) 65 215 257 0 0

Tóm lại : Ngày nay, nhiên liệu đốt lò thu được từ nhiều quá trình chế biến sâu

với các chất pha loảng khác nhau để đạt được những chỉ tiêu sử dụng của nó như độ

nhớt, hàm lượng lưu huỳnh, khôi lượng riêng . . .

4.2.2. Thành phần hoá học của nhiên liệu đốt lò

Thành phần của nhiên liệu đốt lò là một hỗn hợp phức tạp bao gồm những hợp

chất có trọng lượng phân tử lớn, chúng có mặt trong dầu thô ban đầu hay được sinh ra

từ các quá trình chuyển hoá sâu. Cấu trúc của các hợp chất này rất phức tạp vì vậy việc

phân tách chúng thành các hợp chất riêng lẻ hay các họ như khi nghiên cứu đối với các

phân đoạn nhẹ là rất khó khăn và không có nhiều ý nghĩa thực tế.

Trong thực tế để khi nghiên cứu thành phần hoá học của nhiên liệu đốt lò người

ta dựa vào các tính chất lý học của nó như khả năng tan trong các dung môi, khả năng



hấp phụ khác nhau để tách loại chúng thành các nhóm chất khác nhau. Thực tế người

ta thu được ba nhóm chất như sau:

Nhóm dầu

Nhóm nhựa

Nhóm asphalten

Việc phân chia nhiên liệu đốt lò thành các nhóm chất như trên thường không rỏ

ràng vì cấu trúc của phần nặng trong nhóm nhẹ và cấu trúc của phần nhẹ trong nhóm

năng là không khác nhau nhiều, nhất là giữa nhóm nhựa và nhóm asphalten.

Nhóm dầu :

Đây là những hợp chất nhẹ nhất của nhiên liệu đốt lò, chúng bao gồm các hợp

chất parafin, olefin naphten và các hợp chất hydrocacbon thơm. Đây là các hợp chất

tan được trong các dung môi thông thường như xăng nhẹ, parafin. . . nhưng không thể

tách chúng ra khỏi hỗn hợp bằng các chất hấp phụ vì chúng không có cực (hoặc cực

yếu)

Nhóm nhựa :

Nhựa là dẫn xuất của các hydrocacbon polyaromatique hoặc của các naphteno-

aromatic, có độ nhớt lớn. Nó có thể tan trong các hydrocacbon nhẹ C5-C8, xăng. . .

nhưng đây là các hợp chất có cực nên có thể tách chúng ra khỏi hỗn hợp bằng các chất

hấp phụ.

Trọng lượng phân tử của nó phân bố trong một khoảng rộng từ 2000 - 4000. Tỷ

lệ C/H trong các vòng ngưng tụ của nhựa khoảng từ 7.7 - 8.9.

Nhóm asphalten :

Asphalten là những hợp chất cao phân tử đa vòng, ngưng tụ cao, có khối lượng

phân tử lớn (từ 700 - 40000). Chúng tan được trong dung dịch H2S, benzen, CCl4

nhưng không tan được trong xăng nhẹ,các hydrocacbon nhẹ C5-C8. Người ta nhận

thấy rằng trong Asphalten chứa một hàm lượng đáng kể các dị nguyên tố như O, N, S.

Tỷ lệ C/H trong các vòng ngưng tụ của Asphalten khoảng từ 9 - 11.



Trong dầu đốt thì nhóm nhựa tan được trong nhóm dầu để tạo thành một dung

dịch thực sự và hỗn hợp của hai nhóm chất này có một tên gọi chung là nhóm Malten.

Asphalten không tan trong các dung môi thông thường, không tan trong nhóm maltene

kể trên mà chỉ bị trương nở trong nhóm chất này khi tồn tại trong dầu đốt để tạo thành

một hệ keo cân bằng mà tướng phân tán là Asphalten và môi trường phân tán là dầu và

nhựa.

Trong quá trình lưu trữ và tồn chứa, do có độ nhớt cao, thường phải tiếp xúc với

oxy không khí nên các nhóm chất này sẻ bị biến đổi. Xu hương của sự biến đổi này là

dầu chuyển thành nhựa và nhựa sẻ chuyển thành asphalten. Khi quá trình biến đổi này

xãy ra mạnh sẻ làm cho cân bằng hệ keo bị phá vỡ, gây nên kết tủa asphalten. Sự phá

vỡ cân bằng hệ keo này có thể còn do khi pha trộn vào dầu đốt những loại dầu có

nguồn gốc khác, làm cho asphalten có thể bị kết tủa. Kết quả là chúng sẽ cùng với

nước và cặn khác tạo thành một chất như “bùn” đọng ở đáy các thiết bị chứa, gây khó

khăn khi sử dụng và cả khi rửa.

4.2.3. Phân loại nhiên liệu đốt lò Do nhiên liệu đốt lò được ứng dụng nhiều lĩnh vực khác nhau nên yêu cầu về

chất lượng của nó cũng khác nhau, hơn nữa chất lượng này còn tuỳ thuộc vào mức độ

phát triển và yêu cầu của từng nước hay từng khu vực.

Theo tiêu chuẩn Việt Nam, nhiên liệu đốt lò được phân chia dựa vào hàm lượng lưu

huỳnh và độ nhớt thành 4 loại như sau:

FO N01 (2,0% lưu huỳnh)

FO N02A (1,5% lưu huỳnh )

FO N02B (3,0% lưu huỳnh)

FO N03 (3,0% lưu huỳnh)



Chỉ tiêu chất lượng của các loại dầu này như sau:

Chỉ tiêu chất lượng của dầu FO N01 (2,0% lưu huỳnh)

Chỉ tiêu chất lượng sản phẩm Đơn

vị đo Phương pháp thử

Mức quy

định

- Khối lượng riêng ở 150C (max) - TCVN 3893-95 0,965

- Độ nhớt động học ở 400C (max) cSt ASTM-D445 87

- Điểm chớp cháy cốc kín (min) 0C ASTM-D93/TCVN

2693-95 66

- Hàm lượng lưu huỳnh (max) %kl ASTM-D129 2,0

- Điểm đông đặc (max) 0C ASTM-D97/TCVN

3753-95 10

- Hàm lượng nước (max) %tt ASTM-D95/TCVN

2692-95 1,0

- Hàm lượng tạp chất (max) %kl ASTM-D473 0,15

- Nhiệt trị (min) Cal/g ASTM-D240 9800

- Hàm lượng tro (max) %kl ASTM-D482/TCVN

2690-95 0,15

- Cặn Carbon Coradson (max) %kl ASTM-D189 6



Chỉ tiêu chất lượng của dầu FO N02A (1,5% lưu huỳnh )



Mức quy

định



- Điểm chớp cháy cốc kín (min) 0C ASTM-D93/TCVN 2693-

95 66


- Điểm đông đặc (max) 0C ASTM-D97/TCVN 3753-

95 21

- Hàm lượng nước (max) %tt ASTM-D95/TCVN 2692-

95 1,0



- Hàm lượng tro (max) %kl ASTM-D482/TCVN

2690-95 0,15




Chỉ tiêu chất lượng của dầu FO N02B (3,0% lưu huỳnh)



Mức

quy

định




95 66



95 21


95 1,0



- Hàm lượng tro (max) %kl ASTM-D482/TCVN 2690-

95 0,15




Chỉ tiêu chất lượng của dầu FO N03



Mức

quy

định

- Khối lượng riêng ở 150C

(max) - TCVN 3893-95 0,991

- Độ nhớt động học ở 400C

(max) cSt ASTM-D445 380


95 66



95 21


95 1,0



- Hàm lượng tro (max) %kl ASTM-D482/TCVN 2690-

95 0,35




Theo tiêu chuẩn của Pháp, dựa vào độ nhớt và hàm lượng lưu huỳnh người ta

chia FO làm 4 loại chính:

- FO N01 : độ nhớt động học ở 500C nhỏ hơn hoặc bằng 110mm2/s

- FO N02 : độ nhớt động học ở 500C nhỏ hơn hoặc bằng 110mm2/s

- FO N02 BTS : hàm lượng lưu huỳnh thấp khoảng 4% khối lượng

- FO N02 TBTS : hàm lượng lưu huỳnh cực thấp khoảng 1% khối lượng

Bảng phân loại các loại dầu FO theo tiêu chuẩn của Pháp

FO

Tính chất

Đơn vị

tính

Giá trị

giới

hạn N01 N02 N02

BTS

N02

TBTS

- Độ nhớt động học

500C (min)

500C (max)

1000C (max)

cSt

Min

Max

Max

15

110

-

110

-

40

110

-

40

110

-

40

- Nhiệt độ chớp cháy 0C Min 70 70 70 70

- Đường cong chưng cất

E250

E350

%

max

65

85

65

85

65

85

65

85

-Hàm lượng lưu huỳnh %kl max 2 4 2 1

-Hàm lượng nước %kl max 0,75 1,5 1,5 1,5

- Hàm lượng chất không

tan

%kl max 0,25 0,25 0,25 0,25



4.3. Sơ lược về quá trình đốt cháy nhiên liệu lỏng trong lò đốt

4.3.1. Một số khái niệm cơ bản về quá trình đốt cháy

4.3.1.1. Thành phần cháy được và không cháy được

Dưới gốc độ đốt cháy, thì nhiên liệu thường được phân chia thành 2 thành phần:

Thành phần cháy được: Cacbon, hydro, một phần lưu huỳnh, nitơ, ôxy.

Thành phần không cháy được: Tro, ẩm.

Trong thành phần cháy được thì cacbon và hydro là những phần chiếm chủ yếu.

Cacbon : Là thành phần chiếm đại đa số trong các nhiên liệu hữu cơ, khi cháy toả ra

một lượng nhiệt khoảng 34150 kJ/kg. Thành phần cacbon càng nhiều, khi cháy toả ra

nhiều nhiệt nhưng khó bắt cháy.

Hydro : Cũng là thành phần cháy quan trọng, khi cháy toả rất nhiều nhiệt, khoảng

144500kJ/kg, gấp 4 lần cacbon và dễ bắt lửa.

4.3.1.2. Cháy hoàn toàn và không hoàn toàn

Khi những thành phần có thể cháy trong nhiên liệu đều tham gia phản ứng cháy

đến cùng và sản phẩm cháy tạo thành chỉ gồm những chất khí không thể cháy được

nữa như CO2, H2O, SO2... thì quá trình ấy được coi là cháy hoàn toàn. Ngược lại, nếu

một phần nhiên liệu không cháy hết hoặc trong sản phẩm cháy còn có những khí cháy

được như CO, H2, HC ... thì quá trình cháy đó được coi cháy không hoàn toàn.

Có hai nguyên nhân gây ra quá trình cháy không hoàn toàn:

Cháy không hoàn toàn hoá học do cung cấp không đủ oxy (không khí), do sự

trộn lẫn không tốt giữa không khí và nhiên liệu. Hai nguyên nhân này phụ thuộc vào

loại nhiên liệu, cấu tạo thiết bị đốt, điều kiện khống chế sự cháy, chúng có thể được

hạn chế và loại trừ. Nguyên nhân thứ ba do phân huỷ nhiệt thì không thể tránh khỏi,

nhất là khi lò có nhiệt độ cao, thời gian khí lưu lại trong lò lớn.

Cháy không hoàn toàn cơ học do lọt nhiên liệu qua ghi lò, mất mát nhiên liệu

do bay bụi, do đường dẫn bị hở. . . cháy không hoàn toàn sẽ dẫn đến tổn thất nhiệt,

tăng tiêu hao nhiên liệu và giảm nhiệt độ cháy lý thuyết.



4.4.1.3. Hệ số thừa không khí

Thông thường trong thực tế thì để bảo đảm cho quá trình được hoàn toàn thì

lượng không khí đưa vào lò đốt lớn hơn lượng không khí tính toán theo hệ số tỷ lệ.

Gọi :

Lượng không khí cần cho sự cháy hoàn toàn tính theo lý thuyết là V0kk

Lượng không khí cho vào thực tế thì là Vkk (Vkk > V0kk)

Khi đó tỷ số Vkk / V0kk = α được gọi là hệ số thừa không khí:

4.4.1.4. Phương thức cháy

Quá trình cháy nhiên liệu lỏng trong thực tế rất phức tạp. Đối với các loại dầu

nặng thì quá trình cháy càng phức tạp hơn, vì khi ở nhiệt độ cao trong một thời điểm

nào đó nhiên liệu chưa kịp phối trộn với không khí để cháy thì chúng có thể sẽ bị phân

huỷ nhiệt tạo thành các hợp chất độc hại.

Trong công nghiệp, quá trình cháy nhiên liệu lỏng chủ yếu là cháy dạng phun

sương, nhiên liệu lỏng thường qua thiết bị phun sương và bị phân chia nhỏ thành dòng

các hạt sương nhỏ (hay bụi dầu) có kích thước khoảng 50 đến 200 µm ở dưới dạng

hình côn. Xung quanh các hạt sương dầu có không khí. Khi dòng hạt dầu ở trong

buồng lửa được đốt nóng, hạt dầu sẽ bốc hơi vừa hổn hợp với không khí vừa cháy. Vì

điểm sôi của dầu thấp hơn nhiệt độ bắt cháy do vậy không thể hình thành mặt cháy

ngay trên bề mặt hạt dầu mà phải cách bề mặt giọt dầu một khoảng cách nhất định mới

hình thành bề mặt ngọn lửa.

4.4.2. Thiết bị đốt nhiên liệu

Nhiên liệu đốt lò trước khi bị đốt cháy thì chúng phải trải qua quá trình bay hơi,

trộn lẫn với không khí. Muốn cho quá trình bay hơi và trộn lẫn được tốt thì trước hết

nhiên liệu cần phải bị xé thành các hạt sương có kích thước nhỏ (hay còn gọi là bụi

dầu). Thông thường để đạt được yêu cầu này thì nhiên liệu được phun ra từ một hệ

thống kim phun cùng với việc sử dụng một chất khác để phá vỡ độ bền của các hạt

sương. Chất đưa thêm này gọi là chất biến bụi, chất thường được sử dụng là không khí

nén, hơi nước có áp suất cao hay gió của quạt ly tâm cao áp.



Người ta dùng loại thiết bị để đốt chýa nhiên liệu lỏng gọi là mỏ phun. Nó có

nhiệm vụ biến bụi nhiên liệu để đưa hổn hợp chất biến bụi và nhiên liệu vào đốt cháy

trong lò. Với nhiệm vụ này mỏ phun cần đảm bảo yêu cầu sau:

Biến dòng nhiên liệu thành sương và hoà trộn tốt với không khí

Bảo đảm cho nhiên liệu cháy với ngọn lửa bền và có kích thước xác định

Mỏ phun có cấu tạo đơn giản, chắc chắn, bền và vận hành thuận tiện.

Nếu quá trình trao đổi nhiệt giữa môi trường với hổn hợp của chất biến bụi và

nhiên liệu tốt thì quá trình cháy xảy ra nhanh. Hạt dầu càng nhỏ, thời gian sấy nóng

càng ngắn, nhiên liệu bốc hơi càng nhanh và sự cháy xảy ra càng nhanh.

Có nhiều loại mỏ phun nhiên liệu khác nhau, khí xét theo áp suất phun thì người ta

chia chúng thành 2 loại: mỏ ohun cao áp và mỏ phun thấp áp.

4.4.2.1. Mỏ phun thấp áp

Sơ đồ cấu tạo mỏ phun thấp áp như hình dưới.

Khi mỏ phun làm việc, nhiên liệu vào mỏ phun qua ống dẫn 1, không khí vào

qua đường dẫn 2. Nhiên liệu và không khí gặp nhau ở trước cửa ra của mỏ phun. Ở

đây dầu biến thành bụi và hổn hợp bụi dầu và không khí qua miệng mỏ phun 3 vào để

cháy ở trong lò. Áp suất của không khí khi vào mỏ phun là 5 kN/m2, tạo cho không

khí chuyển động với tốc độ 70 - 80 m/s. Kiểu mỏ đốt này có cấu tạo đơn giản, vận

hành ổn định.

Nhược điểm của nó là phải giữ cho mỏ phun làm việc đủ công suất. Nếu công

suất thay đổi thì chất lượng biến bụi dầu cũng ảnh hưởng rất nhiều.

Nếu cần giảm công suất nhiệt theo yêu cầu công nghệ trong lò thì không được giảm

đến mức để cho tốc độ không khí nhỏ hơn 50 - 60 m/s. Loại mỏ này làm việc với hệ số

tiêu hao không khí n = 1,1 - 1,25.



Sơ đồ mỏ phun thấp áp

1-ống dẫn dầu; 2-ống dẫn không khí; 3-tường lò

4.4.2.2. Mỏ phun cao áp

Sơ đồ cấu tạo mỏ phun cao áp như sau:

Sơ đồ mỏ phun cao áp

1-đường dẫn dầu; 2-cơ cấu hãm; 3-đường dẫn không khí làm chất biến bụi

Các bộ phận chính của mỏ phun này là: ống dẫn dầu ở trong và ống dẫn chất

biến bụi 3 bao bên ngoài. Ống dẫn không khí đợt hai đưa vào đốt cháy nhiên liệu được

bố trí riêng ngay tại lò nơi đặt mỏ phun. Khi mỏ phun làm việc, chất biến bụi vào mỏ

phun chuyển động xung quanh ống dẫn dầu và ra gặp dòng dầu ở đầu của mỏ phun.

Tiết diện miệng ra của chất biến bụi quyết định lưu lượng chất biến bụi vào phá vỡ



dòng dầu có thể thay đổi nhờ sự chuyển dịch của ống dẫn dầu. Đối với các mỏ phun

đơn giản đây chính là cơ cấu điều chỉnh lượng tiêu hao chất biến bụi.

Nếu chất biến bụi là không khí nén thì áp suất là 400 - 600 kN/m2

Chất biến bụi là hơi nước thì áp suất hơi nước là 500 -1500 kN/m2

Để điều chỉnh lượng dầu qua mỏ phun ta đặt van điều chỉnh trên đường ống dẫn

dầu trước mỏ phun.

Do chiều dài của ngọn lửa lớn nên mỏ phun này chỉ dùng được ở các lò có

chiều dài phù hợp. Còn đối với các buồng đốt, buồng lò có kích thước nhỏ thì không

dùng được vì ngọn lửa sẽ va đập vào tường lò làm hỏng vật liệu xây lò.

Không khí nén hay hơi nước là hai chất được dùng để biến bụi dầu. Mặc dù

chất biến bụi khác nhau nhưng về cấu tạo mỏ phun thì cơ bản không khác nhau. Chúng

có cùng các bộ phận chủ yếu để cho dòng chất biến bụi sau khi ra khỏi miệng ống dẫn

với tốc độ lớn, đập vào dòng dầu và biến chúng thành những hạt bụi.

Các đặc tính của mỏ phun thấp áp và mỏ phun cao áp

Đặc tính Mỏ phun Thấp áp Cao áp

Chất biến bụi dầu Không khí do quạt cấp Không khí nén hơi nước

Áp suất của chất biến bụi, kN/m2 2,59 - 8,8 Không khí nén : 400-600

Hơi nước : 500 - 1500 Lượng chất biến bụi (không khí), % của tổng lượng không khí cần đốt cháy nhiên liệu ..

100 7 - 12

Lượng không khí đợt hai, % của tổng lượng không khí cần đốt cháy nhiên liệu ..

88 - 93 100

Nhiệt độ nung không khí, 0C 300 Không hạn chế Lượng chất biến bụi cho một kg dầu, kg 0,6 - 0,8

Tốc độ chất biến bụi khi ra khỏi miệng ống, m/s 50 - 80 Thường đến 330, đôi khi

lớn hơn 330 Mức độ biến bụi (đường kính hạt bụi dầu), mm Đến 0,5 0,1 - 0,2



Sự khác nhau giữa hai mỏ phun này chủ yếu là:

Trong mỏ phun thấp áp chất biến dầu thành bụi là không khí được cấp từ quạt

ly tâm có áp suất cao. Còn trong mỏ phun cao áp chất biến bụi dầu là không khí nén

hay hơi nước có áp suất cao.

Ở mỏ phun thấp áp tất cả không khí cần để đốt cháy nhiên liệu đều đi qua mỏ

phun. Nhiệt độ nung trước không khí không được lớn hơn 3000C để tránh hiện tượng

phân huỷ nhiên liệu làm tắc mỏ phun.

Ở mỏ phun cao áp, lượng không khí nén đưa qua mỏ phun để biến bụi dầu chỉ

chiếm 7 - 12 % tổng số không khí cần đốt cháy nhiên liệu, phần không khí còn lại

không đi qua mỏ phun mà qua một đường riêng vào lò gọi là không khí đợt hai. Lượng

không khí này có thể nung trước đến nhiệt độ cao phụ thuộc vào loại lò và dạng thiết

bị thu hồi nhiệt.

Nếu không khí được nung ở thiết bị hoàn nhiệt thì nhiệt độ nung đạt 1000-

12000C, còn nung ở thiết bị trao đổi nhiệt thì nhiệt độ nung 500 - 6000C.

4.5. Chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu đốt lò

Như trong phần trước chúng ta đã thấy nhiên liệu đốt lò được phối trộn chủ yếu

từ cặn của các quá trình khác nhau, điều này cho thấy trong thành phần của nó sẻ chứa

một lượng lớn các hợp chất có hại cho việc sử dụng nó như lưu huỳnh, nitơ, kim loại...

Vì vậy, cũng như những sản phẩm dầu mỏ khác, nhiên liệu đốt lò thương phẩn

phải đạt được những chỉ tiêu chất lượng nhất định để bảo đảm cho việc sử dụng của nó

trong các lò đốt cũng như đảm bảo được các chỉ tiêu về việc thải các chất ô nhiễm ra

môi trường. Các chỉ tiêu quan trọng đó là hàm lượng lưu huỳnh, độ nhớt, tỷ trọng nhiệt

cháy, hàm lượng cặn . . .


Nhiên liệu đốt lò thường chứa một lượng lưu huỳnh khá lớn, nồng độ của nó

thay đổi tuỳ theo loại.

Lưu huỳnh tồn tại trong nhiên liệu đốt lò dưới nhiều dạng khác nhau, thông

thường là dưới dạng các hợp chất sulfua, disulfua hay dưới dạng di vòng. Khi bị đốt



cháy lưu huỳnh sẻ chuyển thành SO2, khí này cùng với khói thải sẻ được thoát ra

ngoài, trong thời gian này chúng có thể tiếp xác với oxy để chuyển một phần thành khí

SO3. Khi nhiệt độ của dòng khí thải xuống thấp thì các khí này sẻ kết hợp với hơi nước

để tạo thành các axit tương ướng, đó chính là các axit vô cơ có độ ăn mòn các kim loại

rất lớn. Thực tế thì các axit sulfuaric sẻ gây ăn mòn ở nhiệt độ thấp hơn 100 ÷ 150oC,

còn axit sulfuarơ chỉ gây ăn mòn ở nhiệt độ thấp hơn 40 ÷ 50oC.

Để hạn chế sự ăn mòn này thì người ta thường dùng các phương pháp sau:

Dùng nhiên liệu đốt lò có hàm lượng lưu huỳnh thấp

Giảm lượng không khí thừa trong dòng khí

Gửi cho bề mặt trao đổi nhiệt lớn hơn nhiệt độ điểm sương của các khí

Dùng một số kim loại hoặc oxyt kim loại (MgO, CaO) để chuyển SO2 thành

các hợp chất không ăn mòn. CaO + SO2 + 1/2O2 = CaSO4

Phương pháp này vừa giảm được ăn mòn vừa giảm ô nhiễm môi trường do SO2,

SO3 trong khói thải.

Ngoài vấn đề ăn mòn thì khi hàm lượng lưu huỳnh càng cao càng làm giảm

nhiệt trị của nhiên liệu đốt lò.

4.5.2. Độ nhớt

Cũng giống như nhiên liệu Diesel hay nhiên liệu phản lực, trước khi bị đốt

cháy nhiên liệu được phun ra dưới dạng các hạt sương, từ các hạt sương này nhiên liệu

sẻ bay hơi tạo với không khí hỗn hợp cháy. Quá trình bay hơi nhanh hay chậm phụ

thuộc nhiều vào bản chất của nhiên liệu, kích thước của các hạt sương dầu khi phun ra.

Ở gốc độ của độ nhớt thì ảnh hưởng của nó như sau: khi độ nhớt lớn thì kích

thước của các hạt sương phun ra lớn, động năng của nó lớn nên không gian trộn lẫn

của nhiên liệu với không khí lớn. Tuy nhiên khi kích thước của các hạt lớn thì khả

năng bay hơi để tạo hỗn hợp cháy sẻ kém, điều này sẻ làm cho quá trình cháy không

hoàn toàn, làm giảm nhiệt cháy và thải ra nhiều chất gây ô nhiễm cho môi trường.

Ngoài ảnh hưởng đến quá trình cháy thì khi độ nhớt lớn sẻ làm tăng trở lực ma

sát trong hệ thống bơm.



4.5.3. Tỷ trọng

Tỷ trọng là một đại lượng rất quan trọng đối với nhiên liệu đốt lò bởi nó liên

quan đến bản chất của nhiên liệu, độ nhớt, độ bay hơi nghĩa là nó liên quan đến quá

trình cháy của nhiên liệu, tất cả những vấn đề này ta đã đề cập đến ở trên.

Ngoài ra, trong quá trình xử lý nhiên liệu, người ta tách loại nước bằng phương

pháp ly tâm do đó yêu cầu tỷ trọng của nhiên liệu và nước phải khác nhau để đảm bảo

cho quá trình tách loại có hiệu quả. Trong quá trình vận chuyển hay tồn chứa thì nước

thường lẫn vào trong nhiên liệu, khi sự chênh lệch tỷ trọng của hai loại này lớn sẻ giúp

cho quá trình lắng tách nước cũng tốt hơn.

4.5.4. Hàm lượng nước

Nước không phải là thành phần của dầu mỏ nhưng nó luôn có mặt trong dầu thô

hay trong tất cả các sản phẩm của dầu mỏ. Sự có mặt của nước luôn gây ra những tác

hại nhất định. Nước có mặt trong dầu thô hay các sản phẩm có thể từ các nguồn gốc

sau:

Trong dầu thô ban đầu nhưng không tách loại hết trong quá trình xử lý

Do sự thở của các bồn chứa

Do thủng ở các thiết bị đun nóng lại

Do lỗi ở các chổ nối

Nước trong nhiên liệu có thể gây ra những tác hại như sau:

Sự rít bơm

Hiện tượng xâm thực

Quá trình bay hơi lớn dẫn đến hoạt động của mỏ đốt không bình thường

Sự có mặt của nước sẻ gây rỉ trong bảo quan.

4.5.5. Cặn Cacbon

Để đánh giá khả năng tạo cặn, người ta thường sử dụng tiêu chuẩn đặc trưng là

độ cốc hoá, tùy theo phương pháp tiến hành xác định cặn mà cặn thu được gọi là cặn

cacbon conradson hoặc cặn cacbon rabostton.



Hàm lượng cặn cacbon conradson trong dầu nhiên liệu đốt lò thường dao động

từ 5 - 10% khối lượng, có khi lên đến 20% khối lượng.

Tỷ lệ cao cặn cacbon conradson trong nhiên liệu đốt lò cao luôn luôn gây trở

ngại cho quá trình cháy, làm tăng hàm lượng bụi của các chất thải rắn trong dòng khí

thải.

4.5.6. Hàm lượng tro

Các hợp chất cơ kim và muối có trong dầu mỏ đều tập trung đa phần ở dầu cặn,

khi đốt nó biến thành tro. Tro có nhiều trong nhiên liệu đốt lò sẽ làm giảm hiệu quả sử

dụng như gây tắc ghi lò, làm giảm khả năng truyền nhiệt của lò, ở nhiệt độ cao một số

kim loại như vanadi có thể kết hợp với sắt để tạo ra những hợp kim tương ứng có nhiệt

độ nóng chảy thấp do đó dễ dẫn đến sự thủng lò ...

4.5.7. Nhiệt trị

Nhiệt trị là một chỉ tiêu chất lượng quan trọng của nhiên liệu đốt lò. Thường thì

nhiệt trị của nhiên liệu đốt lò khác cao (>10000 cal/g) đây chính là một trong những

yếu tố chính làm cho nhiên liệu đốt lò được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp.

Nhiệt trị này phụ thuộc vào thành phần hoá học. Nếu trong thành phần nhiên

liệu đốt lò càng có nhiều hydrocacbon mang đặc tính parafinic, càng có ít hydrocacbon

thơm nhiều vòng và trọng lượng phân tử càng bé thì nhiệt năng của chúng càng cao.

Những thành phần không thuộc loại hydrocacbon trong dầu cặn cũng có ảnh

hưởng rất lớn đến nhiệt trị của nó. Các hợp chất lưu huỳnh trong dầu mỏ tập trung chủ

yếu vào dầu cặn. Sự có mặt của lưu huỳnh đã làm giảm bớt nhiệt năng của dầu cặn,

khoảng 85 kcal/kg tính cho 1% lưu huỳnh.

4.5.8. Điểm chớt cháy

Cũng giống như những sản phẩm phẩm dầu mỏ khác, đối với nhiên liệu đốt lò

thì điểm chớt cháy cũng đặc trưng cho mước độ hoả hoạn của nó.

Ngoài những chỉ tiêu trên thì nhiên liệu đốt lò còn phải đạt những chỉ tiêu chất

lượng khác như điểm đông đặc, độ ổn định oxy hoá . . .



Chương V SỰ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ DO KHÓI THẢI TỪ QUÁ TRÌNH ĐỐT CHÁY CÁC SẢN PHẨM

DẦU MỎ VÀ CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC

5.1. Sự đốt cháy nhiên liệu, vấn đề ô nhiễm và bảo vệ môi trường

5.1.1. Sự đốt cháy nhiên liệu Quá trình đốt cháy của nhiên liệu bằng không khí được xem là lý tưởng khi

trong hỗn hợp khí cháy chỉ có ra CO2, H2O và N2. Tuy nhiên, quá trình cháy thực tế

trong động cơ hoặc trong các lò đốt rất đặc biệt nên sản phẩm của quá trình cháy ngoài

các chất kể trên còn có nhiều hợp chất khác hay quá trình cháy ở đây không phải quá

trình cháy lý tưởng.

Phương trình cháy của nhiên liệu trong điều kiện lý tưởng

CHyOz + (1+4y -

2z )(O2 +3.78N2) → CO2 + 2

y H2O + 3.78(1 + 4y -

2z )N2

Quá trình cháy trong thực tế ở trong các động cơ hay các lò đốt thường là quá

trình không lý tưởng nên ngoài các hợp chất kể trên thì trong khí thải còn có một số

hợp chất khác như oxyt nitơ (NO, N2O, NO2 gọi chung là NOx ), monoxyt cacbon

(CO), các hydrocacbon chưa cháy (HC), hạt rắn, bồ hống . . . Nồng độ các chất ô

nhiễm này phụ thuộc vào loại thiết bị đốt cháy và các chế độ vận hành.

Ngoài ra trong nhiên liệu ban đầu thường chứa thêm lưu huỳnh nên trong khói

thải còn có thêm khí SO2.

Tất cả các hợp chất vừa kể trên đều là chất độc hại đối với còn người và môi

trường sinh thái. Vì vậy cần thiết phải hạn chế hay giảm thiểu nồng độ của chúng.

5.1.2. Ô nhiễm và bảo vệ môi trường Như phần trên ta đã thấy việc đốt cháy nhiên liệu luôn kèm theo sự phát thải ra

môi trường một lượng chất độc hại gây ảnh hưởng xấu đến sức khoẻ con người và môi

trường sinh thái. Vì vậy ngày nay loài người đã nhận ra rằng : không thể có một xã hội

hay một nền kinh tế lành mạnh trong một thế giới có quá nhiều sự nghèo đói và suy



thoái môi trường. Sự phát triển kinh tế không thể dừng lại, nhưng nó phải định hướng

để việc sử dụng tài nguyên thiên nhiên có hiệu quả nhất và hạn chế các tác động xấu

đến môi trường.

Công nghiệp phát triển càng mạnh, dân sống ở đô thị càng đông, mức thu nhập

càng cao thì chất thải gây ô nhiễm môi trường càng nhiều, tài nguyên thiên nhiên càng

bị cạn kiệt.

Càng ngày con người càng thấy rõ sự ô nhiễm môi trường không khí do chất

thải công nghiệp và giao thông vận tải gây ra làm thiệt hại rất lớn đối với nền kinh tế

quốc dân và làm tăng bệnh tật đối với con người.

Ô nhiễm môi trường không khí, nó được xác định bằng sự biến đổi môi trường

theo hướng bất lợi đối với cuộc sống của con người, của động vật, thực vật, mà sự ô

nhiễm đó chính là do hoạt động của con người gây ra với quy mô, phương thức và

mức độ khác nhau, trực tiếp hay gián tiếp tác động, làm thay đổi mô hình, thành phần

hóa học, tính chất vật lý và sinh học của môi trường không khí.

5.2.1. Tác hại của các chất có trong khói thải

5.2.1.1. Tác hại đối với con người

Cacbonmonoxyt CO:

Tác hại của khí CO đối với con người xảy ra khi nó tác dụng đối với hồng cầu

trong máu tạo thành một hợp chất bền vững do đó nó làm giảm hồng cầu trong máu từ

đó làm giảm khả năng hấp thụ oxi của hồng cầu để nuôi dưỡng tế bào cơ thể.

HbO2 + CO → HbCO + O2

Nạn nhân sẻ bị tử vong khi 70% số hồng cầu bị khống chế (khi nồng độ CO

trong không khí >1000 ppm). Ở nồng độ thấp hơn, CO cũng có thể gây nguy hiểm đối

với con người: khi 20% hồng cầu bị khống chế, nạn nhân bị nhức dầu, chóng mặt,

buồn nôn và khi nồng độ này lên đến 50% thì não bộ con người bắt đầu bị ảnh hưởng

nặng.



Các oxyt nitơ (NOx)

NOx là hỗn hợp của các oxit nitơ. Trong quá trình cháy chủ yếu sinh ra NO sau

đó một phần khí này chuyển thành NO2 tuỳ thuộc và điều kiện.

NO là chất khí không màu, không mùi, không tan trong nước, NO có thể gây

nguy hiểm cho cơ thể do tác dụng với hồng cầu trong máu làm giảm khả năng vận

chuyển oxi gây thiếu máu.

NO2 là chất khí màu nâu nhạt, mùi của nó có thể bắt đầu được phát hiện ở nồng

độ 0.12ppm. NO2 dễ hấp thụ bức xạ tử ngoại, dễ hoà tan trong nước và tham gia phản

ứng quang hoá. NO2 là loại khí có tính kích thích, khi tiếp xúc với niêm mạc tạo thành

axit qua đường hô hấp hoặc hoà tan vào nước bọt rồi vào đường tiêu hoá, sau đó vào

máu. Ở hàm lượng 15 ÷ 50ppm NO2 gây nguy hiểm cho tim phổi và gan.

Hydrocacbon

Hydrocacbon trong khói thải là một hỗn hợp bao gồm nhiều chất khác nhau như

benzen, metan, etan, etylen . . . các khí chứa oxy như rượu, axit, xeton . . . trong các

chất này thì người ta quan tâm nhiều nhất đến benzen vì nó là chất gây ra bệnh ung

thư. Từ lâu người ta đã xác định được tác hại của benzen trong căn bệnh ung thư máu

khi nồng độ của nó lớn hơn 40ppm hoặc gây rối loạn hệ thần kinh khi nồng độ lớn hơn

1 g/ m3, đôi khi nó là nguyên nhân gây các bệnh về gan.

Các oxyt lưu huỳnh (SOx )

Trong nhiên liệu có chứa lưu huỳnh thì khi bị đốt cháy chúng sinh ra khí SO2,

khí này có thể chuyển thành SO3 trong một số điều kiện nhất định.

Các oxit lưu huỳnh là những chất háo nước, vì vậy khi nhiệt độ hạ thấp xuống

thì nó kết hợp với nước để tạo thành axit tượng ứng, các axit này có thể theo đường hô

hấp để vào sâu trong phổi gây ảnh hưởng đến sức khoẻ con người.

Bồ hóng

Bồ hóng tồn tại dưới dạng các hạt rắn có đường kính trung bình khoảng 0.3 µm

nên rất dễ xâm nhập sâu vào phổi, bị giữ lại ở đó, phản ứng với màng nhầy gây hại đến

sức khoẻ.



Mặt khác thì do bề mặt riêng của hạt bồ hóng rất lớn, nó có khả năng hấp phụ

các hydrocacbon thơm và các oxit kim loại gây ra bệnh ung thư.

HAP (hydrocacbon polyaromactic)

Thành phần HAP có trong khí quyển với nồng độ 20 µg/m3. Chúng được tạo

thành khi ngưng tụ các hydrocacbon trong nhiên liệu. HAP hấp phụ trong các hạt hữu

cơ như bụi, bồ hóng đi vào cơ thể gây ung thư.

5.2.1.2. Tác hại đối với môi trường.

Thay đổi nhiệt độ khí quyển.

Sự hiện diện của các chất ô nhiễm, đặc biệt là các chất gây hiệu ứng nhà kính

như CO2, CH4, N2O trong không khí trước hết ảnh hưởng đến quá trình cân bằng nhiệt

của bầu khí quyển, làm cho các điều kiện tự nhiên bị xáo trộn theo chiều hướng bất

lợi, đe doạ đến sự sinh tồn trên quả đất.

Trong số những chất gây hiệu ứng nhà kính người ta quan tâm đến khí cacbonic

(CO2) vì đây là thành phần chính trong sản phẩm cháy có chứa cacbon. Cacbonic

(CO2) gây hiệu ứng nhà kính làm tăng nhiệt độ của quả đất. Sự tăng nhiệt độ này được

giải thích như sau:

Khí quyển

Khi trong khí quyển có nồng độ CO2 bình thường

Khi trong khí quyển có nồng độ CO2 lớn

Bức xạ từ mặt đất(sóng dài)

Bức xạ từ mặt đất (sóng dài)

Bức xạ từ mặt trời (sóng ngắn)



Nhiệt độ bề mặt trung bình của trái đất quyết định bởi sự cân bằng giữa năng

lượng mặt trời chiếu xuống Trái đất và năng lượng bức xạ nhiệt của mặt đất vào vũ

trụ. Bức xạ mặt trời đạt cực đại trong vùng ánh sáng thấy được (có bước sóng khoảng

0.4÷0.73µm) còn bức xạ cực đại của vỏ trái đất nằm trong vùng hồng ngoại (7÷15µm).

Các chất khí khác nhau thì có giải hấp thụ bức xạ khác nhau. Do đó, thành phần của

chất khí có mặt trong khí quyển có ảnh hưởng đến sự trao đổi nhiệt giữa mặt trời, quả

đất và không gian. Cacbonic là chất có giải hấp thụ bức xạ cực đại với bước sóng nằm

trong vùng hồng ngoại, vì vậy nó được xem là trong suốt đối với bức xạ mặt trời

nhưng là chất hấp phụ quan trọng đối với tia bức xạ hồng ngoại phát ra từ mặt đất. Một

phần nhiệt lượng do CO2 giữ lại bức xạ ngược về trái đất, kết quả làm bầu khí quyển

nóng lên. Lớp khí CO2 có tác dụng như một lớp “kính giữ nhiệt” của trái đất ở qui mô

toàn cầu. Nếu lượng CO2 sinh ra càng nhiều thì lớp “kính giữ nhiệt” càng dày, nhiệt độ

trái đất càng tăng.

Với mức độ thải CO2 ra môi trường như hiện nay, theo dự đoán của các nhà khí

tượng đến giữa thế kỷ 22 thì nồng độ khí CO2 sẽ tăng lên gấp đôi. Như vậy sẽ dẫn đến

nhiều tác hại:

Nhiệt độ bầu khí quyển tăng từ 2 ÷30C.

Một lượng lớn băng ở Bắc Cực và Nam Cực sẽ tan ra làm tăng mực nước biển.

Nhiệt độ trái đất tăng làm tăng các quá trình chuyển hoá sinh học và hoá học

gây nên sự mất cân bằng về lượng và chất trong cơ thể.

Nhiệt độ trái đất tăng làm giảm khả năng hoà tan CO2 trong nước biển. Lượng

CO2 trong khí quyển tăng làm mất cân bằng CO2 giữa khí quyển và đaị dương

Làm thay đổi lượng mưa gió và sa mạc hoá thêm bề mặt quả đất.

Mưa axit.

Các chất khí có tính axit như SOx, NOx có mặt trong thành phần không khí do sự

phát thải từ việc đốt cháy nhiên liệu phần lớn sẻ được thải ra ngoài cùng với khói thải,

khi ở trong môi trương thì nhiệt độ của nó sẻ xuống thấp do đó nó kết hợp với hơi

nước trong không khí để tạo ra các axit tương ứng và khi hàm lượng lớn sẻ gây ra mưa

axit.



Mưa axit làm tăng độ axit của đất, huỷ diệt rừng, mùa màng, gây nguy hại đối với

sinh vật dưới nước, nguy hại đối với người và động vật, làm hỏng nhà cửa, cầu cống

và các công trình.

Tầng ozone và lỗ thủng tầng ozone.

Do quá trình hình thành và phân huỷ ozone luôn diễn ra nên ozone có chu kì tồn tại

trong khí quyển rất ngắn. Lượng ôzone tập trung nhiều nhất trong tầng bình lưu (ở độ

cao 25km) tạo thành tầng ozone với nồng độ 5÷10ppm.

Tầng ozone được xem là cái ô bảo vệ loài người và thế giới động vật tránh khỏi tai

hoạ do bức xạ tia tử ngoại của mặt trời gây ra, nó giữ vai trò quan trọng đối với khí

hậu và sinh thái trái đất. Khi tia bức xạ mặt trời chiếu qua tầng ozone, phần lớn lượng

bức xạ tử ngoại đã bị hấp thụ trước khi chiếu xuống trái đất. Nếu các hoạt động của

con người làm suy yếu tầng zone trong khí quyển sẽ gây thảm hoạ đối với hệ sinh thái

trên trái đất.

Trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã phát hiện nồng độ ozone trong khí

quyển của trái đất ở một số nơi đã suy giảm (ví dụ ở Nam cực).

Ngoài ra khí sinh ra do khói thải động cơ như CH4, NOx và các chất hữu cơ cũng là

nguyên nhân gây suy giảm tầng ozone. Các chất này tham gia phản ứng với các gốc

tồn tại ở tầng bình lưu trở thành chất hoạt hoá và tham gia quá trình phân huỷ ozone.

5.1.3. Nguồn gây ô nhiễm không khí

Một cách tông quát thì người ta chia các nguồn ô nhiễm trong môi trường

không khí thành 2 nhóm chính:

Nguồn ô nhiễm tự nhiên (thiên nhiên)

Nguồn ô nhiễm này xãy ra do cháy rừng, do hoạt động của núi lửa, do đại

dương, do thực vật…

Nguồn ô nhiễm nhân tạo (do sự tác động của con người)

Nguồn ô nhiễm nhân tạo này sinh ra do sự đốt nhiên liệu để phục vụ cho quá trình

sản xuất hay sinh hoạt của con người. Quá trình này xảy ra khắp mọi nơi, mọi lúc.



Trong sản phẩm cháy do nhiên liệu sản sinh ra khi cháy có chứa nhiều loại khí độc

hại cho sức khỏe con người, nhất là quá trình cháy không hoàn toàn. Các chất độc hại:

SO2, CO, CO2, NOx, hydrocacbon, hạt rắn, bổ hóng, tro bụi.

Người ta phân biệt các nguồn gây ô nhiễm do đốt nhiên liệu thành các nhóm:

Do phương tiện giao thông (nguồn ô nhiễm di động): bao gồm giao thông

đường bộ, giao thông đường sắt, giao thông đường thuỷ, hàng không.

Các cơ sở công nghiệp đốt nhiên liệu: than, dầu, khí.

Các quá trình sản xuất công nghiệp đặc biệt là quá trình sản xuất hoá chất, sản

xuất vật liệu, luyện kim, và khai thác mỏ, . . .

Do đốt các loại phế thải đô thị, sinh hoạt, xây dựng công trình, cháy rừng . . .

Ở nước ta đang diễn ra quá trình đô thị hoá và công nghiệp hoá tương đối nhanh,

đặc biệt là ở ba vùng trọng điểm phát triển kinh tế : Hà Nội-Hải Phòng-Quảng Ninh,

TP Hồ Chí Minh-Biên Hoà-Vũng Tàu, Đà Nẵng-Nha Trang-Quãng Ngãi. Vì vậy hiện

trạng chất lượng môi trường đô thị và khu công nghiệp nước ta biến đổi hàng năm,

theo chiều hướng không có lợi, vì chất thải ô nhiễm từ sản xuất công nghiệp, giao

thông vận tải và sinh hoạt đô thị ngày càng tăng về số lượng, chủng loại và tính độc

hại.

5.1.3.1. Nguồn thải ô nhiễm do công nghiệp

Sản xuất công nghiệp và sinh hoạt đô thị hàng ngày thải ra các chất thải độc hại

ở dạng khí (khí độc và bụi), dạng lỏng (nước thải) và dạng rắn ( rác, bùn, phân). Các

chất thải này là nguồn gốc gây ô nhiễm môi trường không khí, môi trường nước, và

môi trường đất.

Những năm gần đây ở nước ta đang phát triển một số ngành công nghiệp mới

như công nghiệp điện tử, công nghiệp hoá chất, công nghiệp dầu khí, công nghiệp thực

phẩm, công nghiệp vật liệu . . . Do vậy đã làm cho chất thải công nghiệp ở nước ta

ngày càng đa dạng và độc hại hơn. Xử lý chất thải sản xuất công nghiệp ở nước ta hiện

nay là một vấn đề cấp bách và nóng bỏng, đòi hỏi sự đầu tư lớn về công nghệ xử lý

chất thải nước, chất thải khí và rác thải thì mới có thể giảm được hiện trạng ô nhiễm

môi trường đô thị và công nghiệp ở nước ta.



Lượng thải các chất ô nhiễm môi trường không khí toàn cầu năm 1982 (đơn vị là triệu tấn)

Các chất ô nhiễm chính Nguồn gây ô nhiễm

CO Bụi SOx HC NOx

Giao thông vận tải:

-Xe ôtô chạy xăng

-Xe ôtô chạy dầu diezen

-Máy bay

-Tàu hoả và các loại khác

Cộng

53,5

0,2

2,4

2,0

58,1

0,5

0,3

0,0

0,4

1,2

0,2

0,1

0,0

0,5

0,8

13,8

0,4

0,3

0,6

15,1

5,0

0,5

0,0

0,8

7,3

Đốt nhiên liệu:

-Than

-Dầu

-Khí đốt tự nhiên

-Gỗ, củi

Cộng

0,7

0,1

0,0

0,9

1,7

7,4

0,3

0,2

0,2

8,1

18,3

3,9

0,0

0,0

22,2

0,2

0,1

0,0

0,4

0,7

3,6

0,9

4,1

0,2

8,8

3. Quá trình sản xuất công nghiệp 8,8 6,8 6,6 4,2 0,2

4. Xử lý chất thải rắn 7,1 1,0 0,1 1,5 0,5

5. Hoạt động khác:

-Cháy rừng

-Đốt các chất nông nghiệp

-Đốt rác thải bằng than

-Hàn đốt xây dựng

Cộng

6,5

7,5

1,1

0,2

15,3

6,1

2,2

0,4

0,1

8,7

0,0

0,0

0,5

0,0

0,5

2,0

1,5

0,2

0,1

7,7

1,1

0,3

0,2

0,0

1,5

Tổng cộng toàn bộ 91,0 25,7 30,2 29,1 18,7



5.1.3.2. Nguồn ô nhiễm giao thông vận tải

Theo số liệu ở bảng trên cho thấy, chúng đã sản sinh ra gần 2/3 khí CO và 1/2

khí hydrocacbon và khí NO. Ôtô gây ô nhiễm rất độc hại qua ống xả là bụi và tàn khói.

Tàu hoả, tàu thuỷ chạy bằng nhiên liệu xăng dầu cũng gây ra ô nhiễm môi trường

tương tự như ôtô.

Máy bay cũng là nguồn gây ô nhiễm bụi, hơi độc hại và tiếng ồn. Bụi và hơi

độc hại do máy bay thải ra nói chung là nhỏ. Tổng số chất thải do máy bay gây ra chỉ

chiếm khoảng 2,5% tổng chất thải CO và 1% chất thải hydrocacbon.

5.1.3.3. Ô nhiễm không khí do hoạt động xây dựng

Ở nước ta hiện nay đang trong quá trình đô thị hoá nhanh chống do đó hoạt

động xây dựng nhà cửa, đường sá, cầu, cống... rất nhộn nhịp và diễn ra khắp nơi, đặc

biệt là ở các đô thị. Các hoạt động xây dựng như đào, lấp đất, đập phá công trình cũ,

vật liệu xây dựng bị rơi vãi trong quá trình vận chuyển, thường gây ô nhiễm bụi rất

trầm trọng đối với môi trường không khí xung quanh, đặc biệt là ô nhiễm bụi ở các nơi

có hoạt động xây dựng vượt trị số tiêu chuẩn cho phép tới 10-20 lần.

5.1.3.4. Nguồn ô nhiễm do sinh hoạt của con người gây ra

Nguồn ô nhiễm do sinh hoạt của con người chủ yếu là bếp đun và lò sưởi, nhiên

liệu sử dụng là than đá, củi, dầu hoả và khí đốt. Nhìn chung nguồn ô nhiễm này là nhỏ,

nhưng đặc điểm của nó là gây ô nhiễm cục bộ trong nhà. Hiện nay việc dùng than để

đun nấu lan tràn trong đô thị, nồng độ khí CO tại bếp đun thường là lớn sẽ ảnh hưởng

trực tiếp tới sức khoẻ của con người. Đun bếp than tổ ong sẽ thải ra nhiều chất khí độc

hại như SO2, CO, CO2, bụi.

Cống rãnh, môi trường nước như ao, hồ, kênh rạch, sông ngòi bị ô nhiễm cũng

bốc hơi, thoát khí độc hại và gây ô nhiễm môi trường không khí. Ở các đô thị chưa thu

gom và xử lý rác tốt thì sự thối rữa, phân huỷ rác hữu cơ cũng là nguồn gây ô nhiễm

môi trường không khí.



Lượng phát thải các chất ô nhiễm chủ yếu từ các nguồn thiên nhiên và nhân tạo

Nguồn gây ô nhiễm Tải lượng chất ô

nhiễm 106 t/ năm Chất ô nhiễm

chủ yếu

Nguồn nhân tạo chủ

yếu

Nguồn thiên

nhiên

Nhân

tạo

Thiên

nhiên

SO2

Đốt nhiên liệu than đá

và dầu mỏ

Chế biến quặng có

chứa S

Núi lửa 146 6 -12

H2S Công nghiệp hóa chất

Xử lý nước thải

Núi lửa Các quá

trình sinh hóa

trong đầm lầy

3 300 -100

CO Đốt nhiên liệu

Khí thải của ôtô

Cháy rừng

Các phản ứng hóa

học âm ỉ

300 >3000

NO2 Đốt nhiên liệu

Hoạt động sinh

học của vi sinh vật

trong đất

50 60- 270

NH3 Chế biến phế thải Phân hủy sinh hóa 4 100 – 200

N2O Gián tiếp, khi sử dụng

phân bón gốc nitơ

Quá trình sinh hóa

trong đất >17 100 – 450

Hydrocacbon

Đốt cháy nhiên liệu,

khí thải, các quá trình

hóa học

Các quá trình sinh

hóa 88

CH: 300-

1600

Terpen:200

CO2 Đốt nhiên liệu Phân hủy sinh học 1,5. 104 15.104



Ngày nay với sự gia tăng nhanh chống các máy móc trang bị động cơ thì vấn đề

ô nhiễm do khói thải động cơ cần phải được quan tâm đúng mức. Sự gia tăng các chất

gây ô nhiễm do khói thải động cơ được thấy qua số liệu sau:

Chất ô nhiễm Thời kỳ tiền công

nghiệp (ppm)

Hiện nay

(ppm)

Tốc độ tăng

(%/năm)

CO2 270 340 0,4

N2O 0,28 0,30 0,25

CO 0,05 0,13 3

SO2 0,001 0,002 2

5.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành chất độc hại trong khói thải động

cơ và các giải pháp khắc phục

Trong phần trên ta vừa thấy có rất nhiều nguyên nhân gây ra ô nhiễm môi

trường không khí. Tuy nhiên trong giới hạn của giáo trình này chỉ đề cập một cách sơ

lược về các giải pháp nhằm giảm thiểu ô nhiễm do quá trình đốt cháy nhiên liệu từ dầu

mỏ, hay cụ thể hơn là các giải pháp nhằm giảm thiểu nồng độ các chất độc hại trong

khói thải của động cơ và các lò đốt công nghiệp.

5.1.4.1. Yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành.

Ở phần trước chúng ta đã thấy trong khói thải từ động cơ luôn chứa một hàm

lượng các chất độc hại, thành phần và hàm lượng của các chất này phụ thuộc vào rất

nhiều yếu tố.

Ở động cơ diesel, nồng độ CO rất bé, chiếm tỷ lệ không đáng kể, nồng độ HC

chỉ bằng khoảng 20% nồng độ HC của động cơ xăng còn nồng độ NOx của hai loại

động cơ này có giá trị tương đương nhau. Trái lại, bồ hóng là chất ô nhiễm quan trọng

trong khí xả động cơ Diesel, nhưng hàm lượng của nó không đáng kể trong động cơ

xăng.



Những tạp chất, chất phụ gia của nhiên liệu và đặc biệt là lưu huỳnh có ảnh

hưởng lớn đến thành phần các chất ô nhiễm trong sản phẩm cháy. Thông thường, xăng

thuơng mại chứa khoảng 600 ppm lưu huỳnh. Thành phần lưu huỳnh có thể lên đến

0,5% đối với dầu Diesel. Trong quá trình cháy, lưu huỳnh bị oxy hoá thành SO2, sau

đó một bộ phận SO2 bị oxy hoá tiếp thành SO3.

Để có thể đưa ra được biện pháp nhằm giảm thiểu các hợp chất độc hại này thì

trước hết ta cần phải biết rỏ những điều kiện nào ảnh hưởng đến sự hình thành chúng

trong quá trình cháy trong động cơ.

a. Sự hình thành NOx trong quá trình cháy của động cơ ôtô.

NOX được hình thành chủ yếu do sự kết hợp giữa oxi và nitơ của không khí ở

điều kiện nhiệt độ cao. Chất ô nhiễm này ngày nay càng được quan tâm nhiều và trong

một số trường hợp, nó là chất ô nhiễm chính làm giới hạn tính năng kỹ thuật của động

cơ.

Oxyt nitơ hình thành trong khí cháy chủ yếu là NO, sau đó tuỳ theo điều kiện

mà nó có thể chuyển sang các dạng tồn tại khác. Sự hình thành chúng phụ thuộc vào

nhiệt độ cực đại trong buồng cháy và cả nồng độ của oxy, vì vậy các yếu tố ảnh hưởng

đến nhiệt độ và nồng độ oxy trong buồng cháy sẻ ảnh hưởng đến hàm lượng các chất

này trong khói thải.

Trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức.

Trong động cơ này thì những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến sự hình

thành NOx là:

Độ giàu của hỗn hợp nhiên liệu

Lượng khí thải hồi lưu lại buồng cháy

Góc đánh lửa sớm.



Mức độ phát sinh NOx phụ thuộc vào độ giàu của hỗn hợp công tác thể hiện trên đồ

thị sau:

Nồng độ NOx

NOx

1.11.00.90.8Độ giàu

Nhận xét:

Khi độ giàu quá lớn thì oxy trong hỗn hợp không đủ để đốt cháy nhiên liệu

đồng thời nhiệt độ trong buồng cháy sẻ giảm đi do đó hàm lượng của NOx tạo thành sẻ

nhỏ.

Cũng tương tự như trên khi độ giàu quá nghèo, khi đó trong hỗn hợp có chưa

nhiều oxy nhưng do phần không khí thừa trong hỗn hợp nhiều nên chúng hấp thụ một

lượng lớn nhiệt toả ra do quá trình cháy của nhiên liệu do đó nhiệt độ chung trong

buồng cháy cũng giảm làm cho hàm lượng của NOx tao ra giảm theo.

Trong trường hợp độ giàu gần bằng 1 (khoảng 0.98) khi đó nhiên liệu có đủ oxy

để cháy, lượng nhiệt bị hấp thụ bởi không khí thừa giảm, khi đó nhiệt độ của khí cháy

đạt được cao và có mặt của oxy nên hàm lượng NOx tạo thành lớn nhất.

Ảnh hưởng của lượng khí thải hồi lưu

Khi cho một lượng nhất định khí thải hồi lưu trở lại trong buồng đốt thì nó sẻ

làm giảm nhiệt độ cực đại đạt được ở trong buồng cháy vì khí thải này có nhiệt độ

không cao nên nó hấp thụ một phần nhiệt toả ra từ quá trình cháy nhiên liệu. Như vậy



việc hồi lưu khí thải này cũng cho phép làm giảm hàm lượng NOx trong khói thải động

cơ.

Tuy nhiên, lượng khí thải hồi lưu tăng quá lớn thì sẻ ảnh hưởng đến hoạt động

của động cơ và tăng nồng độ HC.

Ảnh hưởng tỷ lệ khí xả hồi lưu (EGR) đến nồng

độ NO. (EGR: Exhaust Gas Recirculation)được

trình bày ở đồ thị bên

Nồng độ các chất ô nhiễm giảm mạnh theo sự

gia tăng của tỷ lệ khí xả hồi lưu cho đến khi tỷ

lệ này đạt khoảng 15-20%, đây là tỷ lệ hồi lưu

lớn nhất chấp nhận được đối với động cơ làm

việc ở tải cục bộ.

Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm

Góc đánh lửa sớm có ảnh hưởng mạnh đến

sự phát sinh NO. Khi tăng góc đánh lửa sớm,

điểm bắt đầu cháy xuất hiện sớm hơn trong

chu trình công tác, áp suất cực đại xuất hiện

gần ĐCT hơn, do đó giá trị của nó cao hơn.

Vì vậy tăng góc đánh lửa sớm cũng làm tăng

nhiệt độ cực đại. Mặt khác, vì thời điểm

cháy bắt đầu sớm hơn nên thời gian tồn tại

của khí cháy ở nhiệt độ cao cũng kéo dài.

Hai yếu tố này đều tạo điều kiện thuận lợi cho sự

hình thành NO.

Tóm lại, tăng góc đánh lửa sớm làm tăng nồn

kiện vận hành bình thường cửa động cơ, giảm góc đ

NO từ 20-30% ở cùng áp suất cực đại của động cơ.

ThS. Trương Hữu Trì

Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm

đến nồng độ NO.

g độ NO trong khí xả. Trong điều

ánh lửa 10 độ có thể giảm nồng độ

Trang 104


Trường hợp động cơ Diesel

Thông thường động cơ diesel hoạt động với hỗn hợp nghèo tức là luôn có thừa

oxy trong khí cháy, như vậy ở đây NOx tạo ra phụ thuộc hoàn toàn vào nhiệt độ cực

đại đạt được trong buồng cháy.

Trong mọi chế độ hoạt động của động cơ, thì phần nhiên liệu cháy trước trong mỗi

chu kỳ đóng vai trò quan trọng nhất đối với sự hình thành NO, vì sau khi bị đốt cháy

nhiệt độ của nó tăng cao, hơn nữa phần khí cháy này thường bị nén nên càng làm gia

tăng nhiệt độ của nó, do đó làm tăng nồng độ NO.

Mặt khác, do quá trình cháy khuếch tán, trong buồng cháy động cơ Diesel luôn tồn tại

rất nhiều khu vực hay các "túi" không khí có nhiệt độ thấp, nhờ phần khí này mà NO

hình thành trong buồng cháy động cơ Diesel được làm mát (gọi là sự "tôi" NO) nhanh

chóng hơn trong trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức và do đó NO ít có khuynh

hướng bị phân giải hơn.

Các quan sát thực nghiệm cho thấy hầu hết NO được hình thành trong khoảng

200 góc quay trục khuỷu từ lúc bắt đầu cháy. Do đó khi giảm góc phun sớm, điểm bắt

đầu cháy lùi gần ĐCT hơn, điều kiện hình thành NO cũng bắt đầu trễ hơn và nồng độ

của nó giảm do nhiệt độ cực đại thấp. Đối với động cơ Diesel cỡ lớn, giảm góc phun

sớm có thể làm giảm đến 50% nồng độ NO trong khí xả (trong phạm vi gia tăng suất

tiêu hao nhiên liệu chấp nhận được).

Đối với động cơ Diesel nói chung, nồng độ NOx tăng theo độ giàu trung bình. Tuy

nhiên khi độ giàu thấp, nồng độ NOx giảm chậm hơn so với trường hợp động cơ đánh

lửa cưỡng bức do sự phân bố không đồng nhất của nhiên liệu. Trong quá trình cháy

của động cơ Diesel, độ giàu trung bình phụ thuộc trực tiếp vào lượng nhiên liệu chu

trình, do đo, ở chế độ tải lớn nghĩa là

áp suất cực đại cao, nồng độ NO tăng.

Hình bên trình bày biến thiên

nồng độ NOx và NO trong khí xả theo

độ giàu trung bình đối với động cơ

Diesel phun trục tiếp tốc độ



1000v/phút và góc phun sớm 270 trước ĐCT.

Cũng như trong trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức, sự hồi lưu khí xả làm giảm

NO do giảm nhiệt độ khí cháy.

5.1.4.2. Sự hình thành monoxyt cacbon CO.

Khi nhiên liệu bị đốt cháy trong điều kiện không đủ oxy thì một phần nhiên liệu

không cháy sẻ chịu tác động của nhiệt độ cao và bị phân huỷ hoặc cháy không hoàn

toàn để tạo thành monoxyt cacbon (CO). Ngoài ra ở trong điều kiện có nhiệt độ cao thì

một phần khí CO2 hình thành có thể bị biên đổi thành CO. Phường trình phản ứng:

2C + O2 → 2CO

C + CO2 → 2CO

Nồng độ của CO phụ thuộc và các yếu tố sau:

Ảnh hưởng của áp suất nạp

Với cùng góc phun sớm, áp suất nạp càng nhỏ thì tốc độ cháy càng thấp kéo

theo sự giảm áp suất và nhiệt độ cực đại trong xi lanh.

Ảnh hưởng của độ giàu

Khi nồng độ quá thấp hay quá cao đều làm gia tăng nồng độ của CO trong khói

thải.

Ảnh hưởng của góc phun sớm

Góc phun sớm gây ảnh hưởng đến nồng độ CO trên đường xả. Nếu nhiên liệu

được phun vào quá trễ, quá trình cháy kéo dài trên đường giãn nở, khi đó nhiệt độ

giảm nhanh làm giảm khả năng cháy của nhiên liệu, do đó làm tăng nồng độ CO.

Ảnh hưởng của hệ số khí sót

Khi tăng hệ số khí sót, nhiệt độ cháy giảm làm giảm tốc độ phản ứng phân giải

CO2 thành CO, do đó nồng độ CO trong sản phẩm cháy giảm. Vì vậy, hệ thống hồi lưu

khí xả EGR lắp trên các động cơ hiện đại để khống chế nồng độ NOx đồng thời cũng

góp phần làm giảm nồng độ CO ở chế độ tải thấp



5.1.4.3. Sự hình thành hydrocacbon chưa cháy.

Sự phát sinh HC trong quá trình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức

Trong khí xả của động cơ xăng, nồng độ HC tăng nhanh theo độ giàu của hỗn

hợp. Tuy nhiên, khi độ giàu của hỗn hợp quá thấp, HC cũng tăng do sự bỏ lửa hay do

sự cháy không hoàn toàn diễn ra ở một số chu trình công tác. Sự hình thành HC trong

động cơ đánh lửa cưỡng bức có thể do các nguyên nhân sau đây:

Sự tôi màng lửa khi tiếp xúc với thành tạo ra một hỗn hợp không bén lửa trên

mặt thành buồng cháy.

Hỗn hợp chứa trong các không gian chết không cháy được do màng lửa bị dập

tắt (đây được xem là nguyên nhân chủ yếu)

Hơi nhiên liệu hấp thụ vào lớp dầu bôi trơn trên bề mặt xi lanh trong giai đoạn

nạp và nén, sau đó thải ra trong giai đoạn giãn nở và thải.

Sự cháy không hoàn toàn diễn ra ở một số chu trình làm việc của động cơ (cháy

cục bộ hay bỏ lửa) do sự thay đổi độ giàu, thay đổi góc đánh lửa sớm hay hồi

lưu khí xả, đặc biệt là khi giảm tốc độ. (Chất lượng của quá trình cháy)

Mặt khác, muội than trong buồng cháy cũng có thể gây ra sự gia tăng mức độ ô nhiễm

do sự thay đổi theo cơ chế trên đây.



Sơ đồ các nguồn phát sinh HC

Ảnh hưởng của các không gian chết

Trong các nguyên nhân trên thì yếu tố các không gian chết được xem là nguyên

nhân chủ yếu phát sinh HC chưa cháy.



Sự phát sinh HC trong quá trình cháy của động cơ Diesel

Quá trình cháy trong động cơ Diesel là một quá trình phức tạp, trong quá trình

đó diễn ra đồng thời sự bay hơi nhiên liệu rồi hoà trộn với không khí và biến đổi để tự

bốc cháy. Khi độ đậm đặc của hỗn hợp quá lớn hoặc quá bé đều làm giảm khả năng tự

bắt cháy, do đó làm tăng nồng độ HC chưa cháy.

Mức độ phát sinh HC trong động cơ Diesel phụ thuộc nhiều vào điều kiện vận

hành, ở chế độ không tải hay tải thấp nồng độ HC cao hơn ở chế độ đầy tải.

Nếu so sánh không gian chết với động cơ đánh lửa cưỡng bức thì ở động cơ Diesel

không gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến nồng độ HC trong khí xả vì trong giai đoạn

đầu của quá trình cháy và quá trình nén, các không gian chết chỉ chứa không khí và

khí sót. Ảnh hưởng của lớp dầu bôi trơn bám trên mặt gương xilanh, ảnh hưởng của

lớp muội than cũng như ảnh hưởng của sự tôi màng lửa đối với quá trình hình thành

HC trong động cơ Diesel nhìn chung không đáng kể so với động cơ đánh lửa cưỡng

bức.

Cũng như động cơ đánh lửa cưỡng bức, sự tôi ngọn lửa diễn ra gần thành và đó

là nguồn phát sinh HC, hiện tượng này phụ thuộc đặc biệt vào khu vực va chạm giữa

tia nhiên liệu và thành buồng cháy. Sự dập tắt ngọn lửa dẫn đến sự gia tăng mạnh nồng

độ HC thường chỉ diễn ra khi động cơ có tỷ số nén thấp và phun trễ. Mặt khác sự dập

tắt ngọn lửa cũng xảy ra khi khởi động động cơ ở trạng thái nguội với sự hình thành

khói trắng (chủ yếu là do những hạt nhiên liệu không cháy tạo thành).

5.1.4.4. Sự hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel

Bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel phần lớn do quá trình cháy không hoàn

toàn của nhiên liệu sinh ra, chỉ có một bộ phận nhỏ do sự cháy của dầu bôi trơn.

Quá trình cháy khuếch tán trong động cơ Diesel rất thuận lợi cho việc hình thành bồ

hóng. Sự cháy của hạt nhiên liệu lỏng trong khi chúng dịch chuyển trong buồng cháy

cũng như sự tập trung cục bộ hơi nhiên liệu ở những vùng có nhiệt độ cao là nguyên

nhân chính sản sinh bồ hóng.



Thành phần hạt bồ hóng

Ngày nay qua nghiên cứu người ta đã xác định một cách chính xác bồ hóng bao

gồm những thành phần sau:

Cacbon: Thành phần này ít nhiều phụ thuộc vào nhiệt độ cháy và hệ số dư

không khí, đặc biệt là động cơ làm việc ở chế độ đầy tải.

Dầu bôi trơn không cháy: Đối với động cơ cũ thành phần này chiếm tỉ lệ lớn,

lượng dầu bôi trơn tiêu hao và lượng bồ hóng có quan hệ với nhau.

Nhiên liệu chưa cháy hoặc cháy không hoàn toàn: Thành phần này phụ thuộc

vào nhiệt độ, hệ số dư không khí và cấu trúc buồng đốt của động cơ.

Sunfat: Do lưu huỳnh trong nhiên liệu bị ôxy hoá thành SO2, hoặc (SO4)2-.

Các chất khác: Lưu huỳnh, canxi, phốtpho, sắt...

Thành phần hạt bồ hóng còn phụ thuộc vào tính chất nguyên liệu, đặc điểm quá

trình cháy, dạng động cơ cũng như thời gian sử dụng động cơ (cũ hay mới).

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm về sự phân bố kích thước hạt bồ hóng cho thấy

bồ hóng trong khí xả tồn tại dưới hai dạng: dạng đơn và dạng tích tụ.

Dạng đơn: tồn tại ở nhiệt độ trên 5000C, ở dạng này các hạt bồ hóng là sự kết

hợp của các lớp sơ cấp hình cầu (mỗi một hạt sơ cấp hình cầu này chứa khoảng 105 ÷

106 nguyên tử cacbon). Dạng đơn này được gọi là phần không hoà tan ISF (Insoluble

Fraction) hay thành phần rắn SOL (Solid).

Dạng tích tụ: Do các hạt bồ hóng liên kết lại với nhau và tồn tại ở nhiệt độ thấp

hơn 5000C. Các hạt bồ hóng này được bao bọc bởi thành phần hữu cơ nặng ngưng tụ

và hấp thụ trên bề mặt hạt: HC chưa cháy, HC bị ôxy hoá (ceton, este, ete, axit hữu cơ)

và các hydrocacbon đa nhân HAP. Thể tích tụ này có thể còn có thêm các hạt khác

như SO2, NO2 . . . những hạt này được gọi là thành phần hữu cơ hoà tan SOF (Soluble

Oganic Fraction). Trong khí xả động cơ thành phần này có thể chiếm từ 5 ÷80%

Cấu trúc hạt bồ hóng

Cấu trúc tinh thể hạt bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel tương tự graphit

nhưng ít đều đặn hơn, mỗi hạt sơ cấp hình cầu là tập hợp khoảng 1000 mầm tinh thể



có dạng phiến mỏng được sắp xếp đồng đều quanh tâm của mỗi hạt cầu tương tự như

cấu trúc của cacbon đen. Những nguyên tử cacbon kết nối với nhau theo các phiến lục

giác phẳng cách nhau khoảng 0,34 ÷ 0,36 nm. Các phiến này kết hợp với nhau tạo

thành các mầm tinh thể, những mầm tinh thể này lại sắp xếp lại theo các hướng song

song với mặt hạt cầu để tạo thành hạt.

Mô hình cấu trúc dạng hạt sơ cấp Cấu trúc tinh thể graphit

Người ta cho rằng hạt bồ hóng được hình thành theo 5 giai đoạn như sau:

Polyme hoá acetylen và polyacetylen.

Tạo các hydrocacbon thơm đa nhân (HAP).

Ngưng tụ và graphit hoá các cấu trúc HAP.

Tạo hạt qua các tác nhân ion hoá và hợp thành các phân tử nặng.

Tạo hạt qua các tác nhân trung tính và phát triển bề mặt tạo thành các thành

phần nặng.



Hiện nay người ta thường mô tả sự hình thành bồ hóng qua bốn giai đoạn được tóm

tắt như sau:

Quá trình tạo bồ hóng trong động cơ Diesel.

Cơ chế trung gian về động hoá học của sự tạo thành bồ hóng từ các phân tử Aromatic



Tóm lại, trong buồng cháy động cơ Diesel liên tục xảy ra quá trình tạo hạt nhân,

phát triển bề mặt và liên kết hạt. Ở mỗi giai đoạn khi nhiệt độ đủ cao, hạt bồ hóng bị

ôxy hoá một phần hay toàn phần.

Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành hạt bồ hóng.

Sự hình thành hạt bồ hóng trong ngọn lửa khuếch tán trước tiên phụ thuộc vào

nhiên liệu, khi nhiên liệu có thành phần Cacbon càng cao thì nồng độ bồ hóng càng

lớn.

Độ giàu của hỗn hợp công tác là yếu tố chủ yếu ảnh hưởng nên sự hình thành

bồ hóng bởi khí độ giàu lớn hơn 1 quá trình cháy không hoàn toàn một phần nhiên liệu

bị phân huỷ và tạo các hợp chất có thể ngưng tụ tạo ra bồ hóng. Ngược lại khi hỗn hợp

nghèo và được phân bố đồng nhất thì nồng độ bồ hóng rất bé, có thể bỏ qua. Mặt khác

nếu oxy có thừa trong hỗn hợp cháy thì nó có thể oxy hoá bồ hóng sau khi chúng

được hình thành, do đó làm giảm nồng độ bồ hóng cuối cùng có mặt trong sản phẩm

cháy.

5.4.2. Giải pháp nhằm giảm thiểu nồng độ chất độc hại trong khí cháy

Qua nghiên cứu các điều kiện hình thành các chất ô nhiễm trong khói thải động

cơ từ đó người ta đưa ra những biện pháp nhằm giảm thiểu các chất ô nhiễm này. Một

cách tổng quát thì các giải pháp này được chia thành ba hướng như sau:

Cải thiện động cơ và tối ưu hoá quá trình cháy

Cải thiện nhiên liệu bằng, sử dụng nhiên liệu sạch hay dùng nhiên liệu thay thế

Xử lý chất ô nhiễm trước khi thải ra môi trường.

5.4.2.1. Giải pháp nhằm giảm thiểu ô nhiễm ngay tại nguồn

Trong những thập niên tới mối quan tâm hàng đầu của việc thiết kế động cơ là

giảm mức độ phát sinh ô nhiễm ngay từ nguồn, nghĩa là trước khi ra khỏi xupap xả. Vì

vậy, các nhà thiết kế động cơ không chỉ chú trọng đơn thuần về công suất hay tính

kinh tế của động cơ mà phải cân nhắc giữa các mục tiêu này và mức độ phát sinh ô

nhiễm.



Động cơ đánh lửa cưỡng bức.

Ở động cơ đánh lửa cưỡng bức có ba chất ô nhiễm chính cần quan tâm là NOx,

HC và CO.

Trong các động cơ thế hệ mới làm việc với hỗn hợp nghèo, người ta thiết kế

buồng cháy và các thiết bị phụ trợ nhằm tạo ra chuyển động rối của hỗn hợp công tác

trong quá trình cháy để làm giảm nồng độ các chất ô nhiễm, đặc biệt là HC, bởi sự

tăng cường chuyển động rối sẽ làm tăng tốc độ lan tràn màng lửa và hạn chế việc xuất

hiện những vùng “chết”.

Gia tăng chuyển động rối có thể thực hiện bằng cách sau:

Gia tăng vận tốc xoáy lốc của hỗn hợp trên đường ống nạp.

Sử dụng hai supap nạp khi động cơ làm việc toàn tải và một supap khi làm việc

ở tải cục bộ.

Tạo ra một tia khí phun vào đường nạp phụ có kích thước nhỏ hơn đường nạp

chính.

Ở động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo, việc làm giảm nồng độ các chất ô

nhiễm trong khí xả cũng có thể được thực hiện riêng rẽ hay đồng thời hai giải

pháp sau:

Tổ chức quá trình cháy với độ giàu rất thấp.

Hồi lưu một bộ phận khí xả (EGR: Exhaut Gas Recirculation)

Ngày nay, hệ thống hồi lưu khí xả được dùng phổ biến trên tất cả các loại động cơ

đánh lửa cưỡng bức.

Đối với động cơ Diesel.

Đối với động cơ Diesel các giải pháp kỹ thuật tối ưu làm giảm mức độ phát sinh ô

nhiễm ngay trong buồng cháy cần phải được cân nhắc giữa nồng độ các chất CO, HC

và bồ hóng trong khí xả.



Việc thay đổi góc phun sớm có ảnh

hưởng trái ngược nhau đến nồng

độ HC và NOx, sự ảnh hưởng này

thể hiện ở đồ thị bên.

Các nhà chế tạo động cơ Diesel đã

đề ra nhiều biện pháp khác nhau về

kỹ thuật phun và tổ chức quá trình

cháy nhằm giới hạn nồng độ hai

chất ô nhiễm này. Các biện pháp

chính là:

Tăng tốc độ phun để làm giảm nồng độ bồ hóng do tăng tốc độ hoà trộn nhiên

liệu - không khí.

Tăng áp suất phun, đặc biệt là đối với động cơ phun trực tiếp.

Điều chỉnh dạng qui luật phun theo hướng kết thúc nhanh quá trình phun để

làm giảm HC.

Cũng như động cơ xăng, hồi lưu khí xả là một trong những biện pháp hiệu quả nhất

để giảm mức độ phát sinh NOx trong động cơ Diesel.

Sơ đồ nguyên lý hệ thống hồi lưu khí xả động cơ Diesel.

Tuy nhiên, khí xả hồi lưu có thể làm tăng một ít nồng độ bồ hóng và HC, vì vậy nên

đưa vào nhiên liệu một lượng nhỏ phụ gia tẩy rửa.

Ảnh hưởng của tỷ lệ khí xả hồi lưu đến mức độ phát sinh NOx và hạt rắn

5.4.2.2. Giải pháp liên quan đến nhiên liệu.



Đối với động cơ Diesel, việc cải thiện chất lượng nhiên liệu nhằm giảm mức độ phát

sinh chất ô nhiễm có hiệu quả rõ ràng hơn đối với động cơ xăng.

Cải thiện chất lượng nhiên liệu diesel đồng nghĩa với việc tối thiểu hàm lượng lưu

huỳnh và Aromatic. Có ba quá trình cần khảo sát ảnh hưởng đến chất lượng nhiên liệu

Diesel.

Quá trình Hydrotraitement

Quá trình Hydrodesulfuration

Tổng hợp nhiên liệu Diesel theo phương pháp Fisher-Tropsch và quá trình

oligomer hoá.

Quá trình tách loại lưu huỳnh là cần thiết khi động cơ không trang bị bộ xúc tác oxy

hoá nhằm giảm hàm lượng hạt rắn trong khí xả.

5.4.2.3. Giải pháp dùng xúc tác

Việc xử lý khí xả của động cơ đốt trong bằng bộ xúc tác đã được ngiên cứu và phát

triển ở Mỹ cũng như Châu Âu từ những năm 1960.

Đầu tiên người ta sử dụng các bộ xúc tác oxi hoá trên những động cơ hoạt động với

hỗn hợp giàu, sau đó hệ thống xúc tác lưỡng tính đã được phát triển để xử lý khí xả, hệ

thống này bao gồm bộ xúc tác khử, bộ cung cấp khí và bộ xúc tác oxi hoá.

Bộ xúc tác ba chức năng đầu tiên được đưa vào sử dụng từ năm 1975 trên động cơ



đánh lửa cưỡng bức làm việc với hệ số độ giàu xấp xĩ bằng 1 và trở thành bộ xúc tác

được ứng dụng rộng rãi nhất hiện nay.

Trong khi chờ đợi những giải pháp lý tưởng nhằm hạn chế triệt để các chất ô nhiễm từ

quá trình cháy thì việc xử lý khí xả bằng xúc tác là biện pháp hữu hiệu nhất để giảm

mức độ phát sinh ô nhiễm của ô tô.

Hiện nay có các loại bộ xúc tác sau được sử dụng trên động cơ:

Xúc tác ba chức năng.

Bộ xúc tác oxi hoá dùng cho động cơ Diesel.

Khử oxit nitơ trong môi trường có sự hiện diện của oxi.

Bên cạnh sử dụng các bộ xử lý xúc tác, việc đưa bộ lọc hạt rắn vào ứng dụng trên

động cơ Diesel cũng góp phần đáng kể vao việc giảm lượng bồ hóng phát sinh.

a. Bộ xử lý ba chức năng.

Trong thành phần của khói thải động cơ có chứa các hợp chất với thành phần như

sau:

Hợp chất có tính oxi hoá

Oxi : 0.2 ÷ 2%

Oxit nitơ : NO (0.01 ÷ 0.4%); N2O (<100ppm)

Hợp chất có tính khử.

CO : 0.1 ÷ 6%

H2 : 0.5 ÷ 2%

HC chưa cháy 0.5÷1% bao gồm các HC và sản phẩm của quá trình oxi hoá

không hoàn toàn (aldehyt, cetone…)

Các hợp chất khác.

N2 : 70 ÷ 75%

Hơi H2O : 10 ÷ 12%



CO2 : 10 ÷ 13.5%

SO2 : 15 ÷ 60ppm

Bộ xúc tác được sử dụng ở đây cho phép xử lý đồng thời ba hợp chất CO, HC và NOx

bởi các phản ứng oxi hoá khử và bị khử, vì vậy nó được gọi là bộ xúc tác ba chức

năng. Các phản ứng chính diễn trên bộ xúc tác này như sau:

Các phản ứng oxi hoá: CO + 21 O2 → CO2

CxHy + (x + 4y )O2 → xCO2 +

2y H2O

Các phản ứng khử: NO + H2 → 21 N2 + H2O

NO + CO → 21 N2 + H2O

(2x + 2y )NO + CxHy → (x +

4y )N2 + xCO2 +

2y H2O

Hai phản ứng oxi hoá diễn ra thuận lợi khi độ giàu của hỗn hợp nhỏ hơn hay

bằng 1 (hỗn hợp nghèo), ngược lại ba phản ứng phân huỷ NO diễn ra thuận lợi trong

hỗn hợp giàu.

Qua các phản ứng trên ta thấy chúng chỉ có thể diễn ra một cách đồng thời khi

độ giàu của hỗn hợp xấp xỉ bằng 1, điều đó giải thích tại sao tất cả động cơ ô tô có bộ

xúc tác ba chức năng phải làm việc với tỷ lệ hỗn hợp cháy ở gần hệ số tỷ lượng và tỷ

lệ này được điều chỉnh nhờ cảm biến lamda. Độ chuyển hoá các chất ô nhiễm qua bộ

xúc tác rất nhạy cảm đối với sự thay đổi tỷ lệ hỗn hợp



Sơ đồ điều khiển độ giàu bằng cảm biến lamda.

Biến thiên hiệu quả ống xả xúc tác ba chức năng theo độ lệch của tỷ số không khí

/nhiên liệu so với giá trị cháy hoàn toàn lý thuyết

Cấu tạo của bộ xúc tác.

Bộ xúc tác bao gồm khung có vai trò làm chất mang và lớp kim loại hoạt tính

chúng được tạo thành một khối, gọi là monolithe được dùng rộng rãi nhất. Khung

monolithe là những ống trụ tiết diện tròn hay ovale, bên trong được chia nhỏ bởi

những vách ngăn song song với trục.



Vật liệu gốm dùng phổ biến là cordierite: 2MgO,2Al2O3,5SiO2. Vật liệu này có

ưu điểm là nhiệt độ nóng chảy cao (14000C) do đó nó có thể chịu đựng nhiệt độ khí xả.

Tuy nhiên loại này cũng có độ dòn cao nên dễ bị vỡ.

Khung chất mang kim loại. Khung chất mang ceramic.

Để khắc phục người ta dùng khung kim loại, nó được chế tạo từ những lá thép

cán mỏng thành dạng tôn lượn sóng, sau đó cuộn lại hoặc xếp chồng xen kẽ với những

tấm phẳng sao cho tạo thành cấu trúc dạng tổ ong. Ưu điểm của loại này là dẫn điện tốt

cho phép giảm được thời gian khởi động bộ xúc tác.

Vật liệu : Thép không gỉ Fe/Cr/Al (với Cr=15÷20% và Al= 3÷5%)

Vật liệu làm chất mang (kim loại hay gốm) thường có bề mặt riêng thấp vì vậy

để tăng bề mặt riêng này thì người ta phủ lên các bề mặt này một lớp vật liệu có bề

mặt riêng lớn và gọi là vật liệu nền.

Vật liệu nền chủ yếu là lớp nhôm gamma đôi khi là SiO2, là chất có diện tích bề

mặt riêng lớn (200m2/g) và có tính ổn định tốt. Trong lớp nhôm gamma này, người ta

đưa vào khoảng 5÷50% CeO2, chất này có vai trò ổn định Al2O3, xúc tác cho các phản

ứng reforming hơi và ổn định độ giàu nhờ khả năng linh động nhường nhận oxi của

nó. Lớp vật liệu nền này có bề dày khoảng 20 ÷ 50 µm được tráng lên trên bề mặt của



khung chất mang. Sự hiện diện của nó cho phép làm tăng bề mặt riêng của chất mang

do đó thuận lợi cho hoạt tính xúc tác của kim loại quý. Ngoài ra, vật liệu nền còn chứa

những thành phần ổn định, chất dẽo (tăng khả năng bám dính lên chất mang) cũng như

những kim loại khởi động cho hoạt động của xúc tác.

Có 3 kim loại quý thường dùng để tráng lên vật liệu nền: Pt, Pd, Rh. hai chất đầu (Pt,

Pd) dùng cho các phản ứng xúc tác oxy hoá CO và HC còn Rhodium (Rh) cần thiết

cho các phản ứng xúc tác khử NOx thành N2. Thành phần Pt/Pd được chọn lựa dựa trên

một số yêu cầu về tính năng của xúc tác như hiệu quả xúc tác ở nhiệt độ thấp, độ bền,

tuổi thọ. . . khối lượng kim loại quý dùng cho mỗi bộ xúc tác rất thấp 1 ÷ 2g cho mỗi ô

tô.

Ngoài ra, bộ xúc tác còn chứa những chất khác như: Ni, Cerium, Lanthan,

Barium, Zicronium, sắt, silicium . . . với hàm lượng bé. Những chất này tăng cường

thêm hoạt tính xúc tác, tính ổn định và chống sự lão hoá của kim loại quý.

Khung chất mang sau khi đã tráng lớp kim loại quý được đặt vào trong lớp vỏ

bọc và sau đó được lắp đặt trên đường khí thải động cơ

Đặt monolithe vào trong lớp vỏ

bọc.



Khởi động bộ xúc tác.

Bộ xúc tác ba chức năng chỉ phát huy tác dụng khi nhiệt độ làm việc lớn hơn

2500C. Khi vượt quá ngưỡng nhiệt độ này, độ chuyển hoá của các chất ô nhiễm của bộ

dụng sau một khoảng thời gian nhất định để nhiệt độ của bộ xúc tác đạt được ngưỡng

này còn trước khoảng thời gian này, các chất ô nhiễm trong khí xả hầu như không

xúc tác tăng rất nhanh, đạt tỉ lệ trên 90%. Do đó, trên ô tô bộ xúc tác chỉ phát huy tác

được xử lý. Thực nghiệm cho thấy bộ xúc tác đạt được ngưỡng này sau khi ô tô chạy

được 1÷ 3 km trong thành phố.

nhiệt độ tại đó tỉ lệ biến đổi các chất ô nhiễm đạt 50%.

Hàm lượng CO, HC thấp hơn nhiều

Có mặt oxi dư trong khói thải

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự chuyển hoá các chất ô nhiễm

Nhiệt độ khởi động bộ xúc tác TLO (temperature light off) được định nghĩa là

b. Bộ xúc tác dùng cho động cơ diesel

Đặc điểm khói thải động cơ Diesel.

Động cơ Diesel vận hành với hỗn hợp nghèo, so với động cơ xăng làm việc với

độ giàu gần bằng 1, khói thải của động cơ Diesel có những đặc điểm như sau:

Hàm lượng NOx thấp hơn một chút.



Xuất hiện các hạt rắn (bồ hóng).

kiện sử dụng

khí xả người ta thường sử dụng bộ

xúc

Nhiệt độ khói thải thấp hơn.

Đặc điểm của bộ xúc tác và điều

Đối với động cơ Diesel, để giảm chất thải trong

tác oxi hoá. Bộ xúc tác này cho phép giảm nồng độ CO, HC và một phần bồ hóng.

Về mặt nguyên tắc thì sự xúc tác oxi hoá diễn ra thuận lợi. Khó khăn duy nhất liên

quan đến nhiệt độ môi trường phản ứng thấp. Hình sau cho thấy nhiệt độ bộ xúc tác

cần phải đạt đến 2000C thì các phản ứng chuyển hoá mới bắt đầu xãy ra.

Biến thiên tỷ lệ oxi hoá theo tỷ lệ nhiệt độ khí xả.

Vào khoảng 3. Sự có mặt của

lưu hu

oại quý dùng cho bộ xúc tác Diesel chủ yếu là Platin và

Pallad

3000C bộ xúc tác bắt đầu oxy hoá SO2 thành SO

ỳnh trong dầu Diesel, ngay cả khi hàm lượng rất thấp cũng gây ảnh hưởng đáng

kể đến hoạt tính của bộ xúc tác, đặc biệt làm tăng nhiệt độ bắt đầu xãy ra các phản ứng

chuyển hoá của bộ xúc tác.

Về mặt kết cấu kim l

ium hoặc hợp kim của hai chất này, trong đó Palladium được ưa chuộng hơn vì

nó khó oxi hoá SO2 thành SO3. Trong bộ xúc tác này không sử dụng Rhodium (do

không có quá trình khử NOx) và không có Cerine. Hàm lượng kim loại quý trong xúc

tác oxi hoá thấp hơn so với xúc tác ba chức năng: 10÷40g/cf ((foot)3). Mục đích của



việc giảm này là để hàm lượng kim loại quý chỉ vừa đủ cho quá trình xúc tác oxi hoá

CO và HC, tránh sự hình thành sulfate và làm giảm giá thành xúc tác.

Hiệu quả của bộ xúc tác oxy hoá Diesel

Kết quả thử nghiệm trên động cơ ô tô nhẹ theo chu trình ECE+EUDC

(Econo

Khử oxit nitơ trong môi trường có sự hiện diện của

động cơ đánh lửa cưỡng

bức làm

hử NOX chủ yếu làm giảm NO. Sự phân giải NOX được viết như

sau:

2NO → N2 + O2

Về phương diện nhiệt độ có thể xảy ra nhưng với tốc độ

rất chậ

ợp nghèo, sau đó giải

động hơn (O3, NO2))

. Đa số hạt bồ hóng có đường kính trung

bìn

mic Commission for Europe + Extra Urban Driving Cycle) cho thấy bộ xúc tác

oxy hoá trên động cơ Diesel có thể làm giảm 35% CO, 30%HC, 25% đối với hạt rắn

hoà tan.

c.

Kỹ thuật này được gọi là "khử NOX" được dùng trên

việc với hỗn hợp nghèo và động cơ Diesel. Nó là đối tượng nghiên cứu của rất

nhiều công trình nghiên cứu nhưng đến nay kỹ thuật này vẫn chưa được triển khai

trong công nghiệp.

Bộ xúc tác k

ng học phản ứng trên

m. Ngày nay, người ta đưa ra ba hướng nghiên cứu về vấn đề này như sau:

Sử dụng các chất khử (ure, amoniac hoặc hydrocacbon )

Bẫy NOx (hấp phụ NOx khi động cơ làm việc với hỗn h

hấp và khử nó khi động cơ làm việc với hỗn hợp giàu).

Sử dụng dòng Plasma lạnh (tạo N2 hoặc các cấu tử hoạt

d. Xử lý bồ hóng bằng phương pháp lọc

Bồ hóng trong khí xả có kích thước rất bé

h khoảng 1 µm. Lọc hạt cỡ này rất khó vì nó sẽ gây tổn thất lớn trên đường thải.

Hạt bồ hóng xốp, có khối lượng riêng trung bình khoảng 0.07g/cm3 nên lưới lọc bị tắt

rất nhanh, do đó làm sạch thường xuyên bồ hóng bám trên lõi lọc là điều kiện cần thiết

để đảm bảo lọc hoạt động bình thường.



Lọc bồ hóng tập trung giải quyết hai vấn đề cơ bản đó là lựa chọn kỹ thuật lọc và tái

sinh lọc.

Nguyên tắc lọc dòng khí xả

Lõi lọc bằng lưới sợi gốm.

Lõi lọc bằng sợi thép mạ

nhôm.

Sự tích tụ bồ hóng

trên lõi lọc gây trở lực trên

đường xả và do đó làm

giảm tính năng của động

cơ. Vì vậy cần phải loại

bỏ lượng bồ hóng tích tụ

này. Các giải pháp thông



thường là đốt, rung, rửa hay dùng dòng khí nén thổi ngược

Hình bên giới thiệu bộ đốt để tái sinh lọc. Hệ thống này làm việc một cách tự động.

Trở lực trên đường xả được đo liên tục và ghi vào bộ nhớ ECU (Electric Control Unit).

Khi P> Pmax, ECU khởi động vòi đốt. Nhiên liệu được phun bằng khí nén. Ngọn lửa

được khơi mào bằng tia lửa điện xuất hiện giữa hai cực của bộ đánh lửa. ECU cắt

nhiên liệu qua vòi đốt để kết thúc quá trình tái sinh khi áp suất trên đường xả nhỏ hơn

một giá trị định trước.

5.5.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành chất độc hại trong khói lò và các

giải pháp khắc phục

5.5.1.1.Yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất thải

Trong khói thải của lò đốt thì các chất độc hại đáng quan tâm là bụi, bồ hóng và

khí SOx, ngoài ra thì NOx cũng góp một phần đáng kể.

Khí SOx có mặt trong khói lò có nguồn gốc từ nhiên liệu. Khi bị đốt cháy thì

chúng kết hợp với oxy để tạo ra SO2 sau đó khí này có thể chuyển một phần thành

SO3. Hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu càng lớn thì nồng độ SOx trong khói thải

càng nhiều.

Khi NOx được hình thành trong quá trình cháy nhiên liệu từ các hợp chất chứa

nitơ và cả nitơ và oxy của không khí ở nhiệt độ cao kết hợp với nhau. Như vậy khi

nhiệt độ ngọn lửa càng cao thì nồng độ các chất này càng lớn.

Bụi và bồ hóng được hình thành trong khói lò cũng tương tự như trong động cơ

tức là chúng phụ thuộc cả chất lượng nhiên liệu, thiết bị đốt và lò.

5.5.1.2. Giải pháp nhằm giảm thiểu nồng độ chất độc hại

Qua nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến việc hình thành các chất độc hại trong

khói lò người ta đưa ra các giải pháp nhằm hạn chế nồng độ của nó như sau:

Sử dụng các loại nhiên liệu sạch hơn trong quá trình cháy

Cải tiến hệ thống đốt cháy nhiên liệu

Sử lý làm sạch khí thải trước khi xả vào bầu khí quyển.



Sự lựa chọn các giải pháp kỹ thuật cho các vấn đề nêu trên phụ thuộc vào đặc điểm

của chất ô nhiễm, quá trình phát sinh chất ô nhiễm và mức độ xử lý yêu cầu.

Tuỳ theo thành phần và khối lượng khí thải mà người ta lựa chọn phương pháp xử

lý thích hợp. Việc chọn các phương pháp này phải tính đến mọi yếu tố có liên quan,

đặc biệt là tính hiệu quả và tính kinh tế.

Giải pháp liên quan đến nhiên liệu

Như trong phần trước ta đã thấy, dầu FO dùng cho lò công nghiệp hiện nay được

lấy từ những phần cặn có chất lượng rất thấp, chúng chứa nhiều lưu huỳnh, nitơ đồng

thời nhiều hợp chất aromatic ngưng tụ nhiều vòng, tất cả các chất này đều làm gia tăng

nồng độ chất độc hại trong khói thải.

Giải pháp được dùng nhằm giảm thiểu chất độc hại là:

Sử dụng nhiên liệu sạnh hơn để thay thế dầu FO

Dùng các quá trình chuyển hoá nhằm làm giảm nồng độ các chất không mong

muốn trong dầu FO.

Trong thực tế ngày nay người ta thường sử dụng khí thiên nhiên hoặc khí hoá lỏng

để thay thế dầu FO. Các khí này chứa hàm lượng nitơ, lưu huỳnh rất thấp và hầu như

không chứa aromatic.

Trong công nghiệp thường sử dụng quá trình HDS để xử lý các hợp chất không

mong muốn trong, quá trình này cho phép giảm được hàm lượng nitơ, lưu huỳnh, và

aromatic xuống giới hạn cho phép.

Cải thiện hệ thống đốt cháy nhiên liệu

Trong phần trước ta đã thấy nhiên liệu trước khi bị đốt cháy chúng được xé nhỏ

thành các hạt sương dầu, từ các hạt sương này chúng bay hơi và trộn lẫn với không khí

để được đốt cháy.

Chất lượng của quá trình cháy phụ thuộc rất nhiều vào các thiết bị tạo sương nhiên

liệu và cấu tạo của buồng đốt nhằm giúp cho quá trình bay hơi và trộn lẫn được tốt.

Như vậy các thiết bị liên quan đến quá trình đốt cháy nhiên liệu này ảnh hưởng đến

nồng độ khói thải trên hai phương diện sau:



Tăng nhanh quá trình bóc hơi của nhiên liệu lỏng

Quá trình bay hơi của nhiên liệu phụ thuộc vào nhiệt độ và bề mặt của nhiên liệu

tiếp xúc với không khí, khi nhiệt độ cao và bề mặt lớn thì quá trình bay hơi càng

nhanh. Để đạt được điều đó ta cần phải duy trì nhiệt độ buồng lửa tương đối cao, tìm

cách tối ưu hoá kết cấu miệng phun sương để đảm bảo chất lượng hạt dầu nhỏ và đồng

đều.

Tăng nhanh quá trình hỗn hợp giữa hạt nhiên liệu và không khí

Để thực hiện yêu cầu này phải tăng nhanh sự khuếch tán hỗn lưu và đối lưu giữa

hơi dầu và không khí.

Để đảm bảo dòng phun sương sau miệng phun dễ dàng bắt lửa, cần sử dụng dòng

khí chuyển động xoáy tạo thành vùng hồi lưu khói nóng sau miệng phun, với mục đích

hút khói nóng vào gốc ngọn lửa để gia nhiệt cho dòng phun sương và phải qua cơ cấu

phân phối gió để điều chỉnh tỷ lệ gió nóng phù hợp.

.

Cấu tạo buồng đốt

Ngoài ra khi lò được thiết kế sao cho cường độ hấp thụ nhiệt của lò càng lớn tức

nhiệt của quá trình cháy truyền cho chất mang nhiệt (nước, hơi) bằng phương thức

nhiệt bức xạ, đối lưu của lò càng nhanh thì nhiệt độ cực đại trong lò càng giảm khi đó

sự hình thành khí NOx cũng được hạn chế.

Làm sạch khói lò trước khi thải ra môi trường

Giảm thiểu bụi và bồ hóng trong khói thải

Tuỳ theo nồng độ bụi, tính chất vật lý, hoá học của bụi mà chia thành ba mức làm

sạch:



Làm sạch thô: chỉ tách được các hạt bụi to (kích thước lớn hơn 100µm).

Làm sạch trung bình: giữ lại được không những các hạt bụi to mà cả bụi trung

bình và một phần hạt nhỏ. Nồng độ bụi trong không khí sau khi làm sạch chỉ

còn khoảng 50-100 mg/m3.

Làm sạch tinh: Các hạt bụi nhỏ dưới 10µm cũng được lọc ra tới 60-99%. Nồng

độ bụi còn lại trong không khí sau khi làm sạch là 1-10mg/m3.

Có rất nhiều loại thiết bị khác nhau được sử dụng để tách bụi. Khi căn cứ vào

nguyên lý hoạt động thì người ta phân thành 4 nhóm:

Thiết bị thu tách bụi cơ học: Buồng lắng, cyclone

Thiết bị thu gom bụi ướt : ống Venturi

Thiết bị lọc túi

Thiết bị lọc bụi tĩnh điện

3- Nắp

Sơ đồ cấu tạo của buồ

ThS. Trương Hữu Trì

1- Khí vào; 2- Khí sạch thoát ra; van điều chỉnh; 4- Cửa dọn vệ; 5-xả c�n

ng lắng bụi nhiều tầng được áp dụng khá phổ biến trong

công nghiệp.

Trang 129


Ưu điểm chính của kiểu buồng lắng này là nhờ chia thành nhiều tầng nên kích

thước của buồng lắng được thu gọn, ít chiếm diện tích nhưng vẫn lọc được một lưu

lượng khí lớn với hiệu suất lọc cao.

Nhược điểm chủ yếu của loại này là khó dọn vệ sinh khi bụi bám trên các tầng.

Đôi khi người ta phải dùng biện pháp phun nước áp lực mạnh để tẩy rửa.

Cũng với mục đích vừa nêu, buồng lắng có cấu tạo ở hình sau (Prockat 1950) là

một bước phát triển tiếp theo bằng cách cho khí vào buồng lắng qua khe hình vành

khăn của phễu cấp gió.

Các dạng buồng lắng bụi có tận dụng lực quán tính



Ưu nhược điểm của từng loại thiết bị thu tách bụi

Thiết bị Ưu điểm Nhược điểm Phạm vi ứng dụng

Buồng lắng

-Vốn đầu tư thấp -Chi phí bảo dưỡng thấp

-Cồng kềnh -Hiệu quả thấp, chỉ lọc được các hạt bụi có kích thước > 10 µm

Cyclone

-Làm việc được ở môi trường áp suất cao và nhiệt độ cao đến 5000C -Thu gom được cả hạt bụi có tính mài mòn -Chế tạo đơn giản, kích thước nhỏ,dễ sửa chữa -Hiệu suất cao -Vốn đầu tư không lớn

-Tổn thất áp suất trong thiết bị tương đối cao. -Chỉ lọc được các hạt bụi có kích thước >5µm -Tiêu tốn điện năng

-Thường được ứng dụng trong các nhà máy cũ hoặc các xí nghiệp có công suất thu hồi các bụi có kích thước lớn. -Lọc sơ bộ trước khi khí được lọc trong các thiết bị lọc túi vải, lọc bụi điện.

Ống Venturi

-Hiệu suất rất cao -có thể lọc các hạt bụi có kích thước từ 2-3µm

-Lưu lượng nước tiêu thụ lớn -Tiêu hao năng lượng lớn

Lọc túi vải

-Lọc được cả các hạt bụi kim loại có kích thước nhỏ nhất. -Hiệu suất lớn 98-99% -Chi phí đầu tư thấp hơn thiết bị lọc bụi tĩnh điện

-Chi phí bảo dưỡng cao -Túi lọc dễ bị thủng, ảnh hưởng đến công suất lọc -Không lọc được khí nóng và có ăn mòn hoá học.

Lọc tĩnh điện

-Hiệu suất làm sạch cao 90-99% -Năng lương tiêu hao ít -Có thể tiến hành ở nhiệt độ cao, môi trường ăn mòn hoá học -Có thể tự động hoá và cơ khí hoá hoàn toàn

- Kích thước lớn, cồng kềnh. -Chi phí đầu tư lớn.

-Được ứng dụng để lọc khí thải có hàm lượng lớn, các hạt bụi có kích thước rất nhỏ.



Phương pháp xử lý SO2

Xử lý khí SO2 trong khí thải có thể thực hiện bằng cách dựa vào khả năng hấp

thụ và hấp thụ của chúng. tỏng quát thì người ta chia thành hai phương pháp sau:

Phương pháp hấp thụ

Phương pháp hấp phụ

Việc sử dụng phương pháp nào là tuỳ thuộc vào nồng độ SO2 trong khói thải và yêu

cầu tách. Các thiết bị thường được sử dụng như sau:

Tháp hấp thụ

Sơ đồ tháp đệm

1-Lưới đệm; 2-Lớp vật liệu 3-Thiết bị tưới; 4-Lớp tách nước

Thiết bị hấp thụ khí thải được sử dụng rộng rãi và có hiệu quả cao là tháp đệm

(tháp tiếp xúc). Tháp đệm có tiết diện ngang là hình tròn hay hình chữ nhật. Trên

tấmlưới có đệm bằng các vòng Rachig, vòng có vách ngăn…

Thiết bị này rất thích hợp để xử lý các loại khí độc hại, dễ hoà tan trong nước hay

dễ phản ứng với các dung dịch hấp thụ như là khí thải có chứa SO2, HF, HCl ... lượng

dung dịch hấp thụ trong thiết bị khoảng 1,3-2,6 lít/m3 khí.



Tháp đệm có ưu điểm là hiệu suất xử lý cao vì bề mặt tiếp xúc khá lớn, cấu tạo

đơn giản, trở lực trong tháp không lớn lắm, giới hạn làm việc tương đối rộng.

Nhược điểm của nó là khó làm ướt đều đệm và nếu tháp cao quá thì phân phối chất

lỏng không đều và nước thải sau hấp thụ sẽ nhiễm bẩn và có khi cần phải xử lý nước

thải này. Đây là loại thiết bị hấp thụ dùng để xử lý khí SO2 rất hiệu quả.

Xử lý khí SO2 bằng đá vôi (CaCO3) hoặc vôi nung (CaO)

Xử lý khí SO2 bằng vôi cũng là phương pháp được áp dụng rất rộng rãi trong công

nghiệp vì hiệu quả xử lý cao, nguyên liệu rẻ tiền và sẵn có ở mọi nơi.

Các phản ứng hoá học xảy ra trong quá trình xử lý như sau:

CaCO3 + SO2 = CaSO3 +CO2

CaO + SO2 = CaSO3900÷12000C

2CaSO3 + O2 = 2CaSO4

Ưu điểm nổi bật của phương pháp xử lý khí SO2 bằng sữa vôi là công nghệ đơn

giản, chi phí đầu tư ban đầu không lớn, có thể chế tạo thiết bị bằng vật liệu thông

thường, không cần đến vật liệu chống axit và không chiếm nhiều diện tích xây dựng.

Ngoài ra người ta còn sử dụng các phương pháp sau để xử lý

Xử lý khí SO2 bằng amoniac

Xử lý khí SO2 bằng amoniac và vôi

Xử lý khí SO2 bằng Magie oxit (MgO)

Giảm thiểu nồng độ khí NOx trong khói thải

Có 3 phương pháp khắc phục ô nhiễm khí NOx, trong khói thải là:

Xử lý khí NOx trong khói thải bằng hấp thụ, hấp phụ

Giảm thiểu lượng NOx bằng các chất gây phản ứng khử có xúc tác

Giảm thiểu sự phát thải khí NOx bằng cách điều chỉnh quá trình cháy.

Trong ba phương pháp đó, phương pháp cuối cùng có lẽ là loại giải quyết vấn đề từ

gốc và kinh tế nhất, cần được quan tâm trước hết.



Chương VI BITUM

6.1. Thành phần hoá học của Bitum

6.1.1. Giới thiệu chung về Bitum

Bitum là một sản phẩm được ứng dụng nhiều trong thực tế cho các công trình

giao thông, thuỷ lợi, xây dựng, công nghiệp . . . Bitum đã xuất hiện từ lâu, nó có thể

thu nhận từ công nghiệp chế biến than hoặc công nghiệp chế biến dầu mỏ.

Khi ngành công nghiệp chế biến dầu mỏ đã phát triển mạnh mẻ thì các sản

phẩm từ công nghiệp chế biến dầu mỏ nói chung và Bitum nói riêng có thể thu được

với số lượng lớn và giá cả rẻ nhất. Vì vậy, ngày nay Bitum được dùng trong thực tế

phần lớn chỉ thu nhận từ dầu mỏ.

Mặc dù Bitum đã được biết đến từ lâu nhưng thành phần hoá học và cấu trúc

của nó vẫn chưa được xác định một cách rỏ ràng bởi đây là những hợp chất có cấu trúc

rất phức tạp, ngoài ra nó còn phụ thuộc vào nguồn thu nhận. Tuy nhiên, bằng các

phương pháp phân tích hiện đại như phân tích khối phổ, phân tích phổ hồng ngoại,

phân tích sắc ký kết hợp với các phương pháp phân chia vật lý chưng cất, trích ly, hấp

thụ, hấp phụ . . . thì thành phần Bitum ngày càng được xác định rỏ dần, đó là các hợp

chất hydrrocacbon đa vòng ngưng tụ cao hoặc hydrocacbon ngưng tụ cùng lưu huỳnh,

oxy, nitơ các kim loại. Vì vậy, khi nghiên cứu Bitum cũng tương tự như khi nghiên

cứu nhiên liệu đốt lò người ta không phân chia thành phần hoá học của Bitum theo họ

hydrocacbon và phi hydrocacbon như thông thường mà ở đây người ta dựa vào đặc

điểm của các nhóm chất mà chúng có ảnh hưởng lên các tính chất sử dụng của Bitum.

6.1.2. Thành phần hoá học của Bitum

Cũng giống như tất cả các sản phẩm dầu mỏ khác, trong thành phần của Bitum

chứa nhiều các hợp chất của cacbon và hydro, nhưng trong Bitum thì hàm lượng các

hợp chất dị nguyên tố (hợp chất ngoài cacbon và hydro còn chứa thêm các nguyên tố

khác như lưu huỳnh, oxy, nitơ) cũng chứa một hàm lượng đáng kể. Bởi vậy, thành

phần hoá học của Bitum rất phức tạp, do đó quá trình nghiên cứu nó thường dựa trên



việc phân tách Bitum thành các nhóm chất nhờ vào khả năng hoà tan của chúng trong

các dung môi khác nhau. Sau đây ta sẽ nghiên cứu các quá trình này.

6.1.2.1. Quá trình xử lý Bitum bằng dung môi

Dựa vào việc lựa chọn các dung môi, ta có thể tách Bitum thành các nhóm chất

khác nhau theo trọng lượng phân tử của chúng.

Khi cho Bitum hoà tan trong dung môi sulfua cacbon (CS2) thì ta thu được một

hàm lượng nhỏ (thường không quá 2%) chất rắn không tan, chất này được gọi là

cacboit. Thực tế thì cacboit không hoà tan trong bất kỳ dung môi nào, nó là một dạng

của cacbon trong thiên nhiên như cacbon graphit. Trong dầu mỏ nguyên khai không có

mặt của dạng hợp chất này, chúng chỉ xuất hiện trong quá trình chế biến, nhất là các

quá trình với sự có mặt của oxy ở nhiệt độ cao.

Cho Bitum hoà tan trong dung môi tetracloruacacbon (CCl4), phần không tan

thu được tiếp tục hoà tan trong dung môi sulfua cacbon (CS2), khi đó ta thu được hai

phần. Phần thứ nhất không tan trong dung môi sulfua cacbon (CS2) đó chính là

cacboit, phần thứ hai tan trong dung môi sulfua cacbon (CS2) được gọi là cacben

(thường thì hàm lượng của cacben không quá 0.2%). Cũng tương tự như cacboit,

cacben không có trong dầu mỏ nguyên khai chúng chỉ hình thành trong quá trình chế

biến.

Nếu cho Bitum vào tan trong dung môi là các hydrocacbon no nhẹ như pentan,

hexan, heptan, octan thì phần tan trong các dung môi này được gọi là malten phần

không tan là một chất rắn màu đen được gọi là asphalten. Trọng lượng của asphalten

lớn hơn của malten. Tuy nhiên ranh giới này không được rỏ ràng, trọng lượng phân tử

của malten nằm trong khoảng từ 400 đến 11000, còn trọng lượng phân tử của

asphalten từ 800 đến 100000 tuỳ thuộc vào dung môi hoà tan và nguồn gốc dầu mỏ.

Ngoài các loại dung môi trên thì người ta còn có thể dùng một số dung môi

khác để tiến hành trích ly Bitum. Khi dùng butanol-I để hoà tan Bitum sau đó dùng

heptan và aceton ở nhiệt độ thấp để tiếp tục trích ly thì ta sẽ thu được các sản phẩm

như sơ đồ sau:



Nhựa Asphalten

Trích ly bằng heptan

Dầu NaphtenDầu parafin

Trích ly bắng aceton ở - 32oC

Dầu Asphalten

Trích ly bằng Butanol-I

BITUM

Như vậy, chỉ cần một quá trình trích ly đơn giản ta có thể thu được ba nhóm

chất khác nhau đó là asphalten, nhựa, và dầu. Với cùng một loại nguyên liệu thì hàm

lượng các hợp chất này cũng thay đổi nhiều chúng phụ thuộc vào loại dung môi trích

ly và điều kiện tiến hành. Ví dụ: với nguyên liệu là dầu của Mêxico, khi dung môi là

pentan thì lượng asphalten thu được là: 33.5% nhung khi dung môi là n-heptan thì hàm

lượng này chỉ có 25.7%. khi nhiệt độ trích ly tăng lên thì lượng asphalten thu được sẽ

giảm.

6.1.2.2. Quá trình xử lý Bitum bằng dung môi và chất hấp phụ

Khi cho các nhóm chất thu được bằng phương pháp trích ly như trên chảy qua

các cột hấp phụ như đất sét, sicagel . . . thì dầu, nhựa đôi khi cả asphalten sẻ được tách

ra, như vậy nhờ vào quá trình này ta có thể thu dược các họ Parafinc, Naphtenic,

Aromatic một hay nhiều vòng, các hợp chất phức hợp của lưu huỳnh . . .

Ngoài ra thì người ta có thể kết hợp các phương pháp nêu trên với việc chưng

cất chân không để phân chia Bitum thành các nhóm chất nhỏ hơn, tuy nhiên không bao

giờ thu được các hợp chất tinh khiết.



6.1.3. Bản chất hoá học và cấu trúc của các nhóm chất có mặt trong Bitum

Để hiểu rỏ hơn về bản chất của các nhóm chất trong Bitum ta tiến hành xác định

trọng lượng phân tử trung bình của chúng, phần trăm của các nguyên tố, các nhóm

chức (nhóm axit, ester, ceton, eter, amin, amit . . . ), các cấu trúc cơ bản như n-

paraffin, iso-paraffin, naphten, aromatic . . . bằng các phương pháp phân tích phổ hiện

đại như khối phổ có thể xác định được trọng lượng phân tử và một số cấu trúc đơn

giản, phổ hồng ngoại có thể xác định được độ dài và tỷ lệ các nhánh, phương pháp

cộng hưởng từ hạt nhân có thể các định được cấu trúc vòng phức tạp. Nhờ vào các

phương pháp này mà người ta hiểu rỏ hơn về bản chất hoá học của Bitum.

Như phần đầu đã giới thiệu, khi dùng các dung môi nhẹ ta có thể tách Bitum

thành hai nhóm chất là malten và asphalten, bây giờ ta nghiên cứu hai nhóm chất này.

6.1.3.1. Nhóm chất malten

Malten là các hợp chất hydrocacbon và các hợp chất dị nguyên tố. Đây là một

chất lỏng nhớt có màu nâu rất đậm. Thành phần nguyên tố của nó có chứa nitơ, oxy,

và một hàm lượng lớn lưu huỳnh từ 2.5 đến 5.5% tuỳ theo loại Bitum. Khi xem xét

Bitum nhiều tác giả đã dùng khái niệm tỷ số C/H. Đối với malten thì tỷ số này khoảng

0.7 điều này chứng tỏ trong thành phần của nó phải chứa nhiều hợp chất vòng no,

vòng thơm hay hợp chất lai hợp của chúng với nhau hay với các paraffin. Điều đáng

chú ý là trong thành phần của malten không chứa olêfin, hợp chất này chỉ xuất hiện

khi có sự cracking.

Để nghiên cứu kỷ hơn về malten ta cho chúng hoà tan trong botanol-I khi đó ta

thu được hai nhóm chất khác nhau. nhóm thứ nhất là dầu tan trong dung môi chính là

nhóm dầu còn nhóm thứ hai không tan là nhựa.

Nhóm dầu

Nhóm dầu này có thể chia thành hai nhóm nhỏ: dầu parafin và dầu aromatic

Dầu paraffin: đây là các hợp chất có mạch dài chứa đồng thời các hợp chất n-

paraffin, iso-paraffin, cyclopetylparaffin, cyclohexylparaffin và alcolyaromatic với số

nguyên tử cacbon từ 20 đến 32 hoặc lớn hơn 70 tuỳ theo từng tác giả.



Dầu aromatic: nhóm dầu này có các tính chất sau: Trong thành phần của chúng

không có các hợp chất chỉ có các nhân thơm mà thường thì các nhân thơm này được

gắn với paraffin hay các vòng no khác. Cấu trúc thường gặp là dạng naphteno -

aromatic.

Các vòng thơm ngưng tụ với nhau và không có sự sắp xếp theo một cấu trúc

thẳng đối với các nhân.

Các hợp chất này chứa từ 1 đến 4 nhân thơm, các vòng này có thể là các hợp

chất hydrocacbon hoặc các hợp chất dị vòng.

Các hợp chất dị nguyên tố chiếm một tỷ lệ khác lớn, trước hết là các hợp chất

của lưu huỳnh tồn tại dưới dạng thiofen, các hợp chất của oxy tồn tại dưới dạng axit,

ester đôi khi dưới dạng của phênol.

Nhóm nhựa

Nhóm hợp chất này mang đặc tính aromtic khá rỏ rệt, không còn các thành phần

paraffin, cấu trúc chủ yếu là naphteno-aromatic với các nhánh thẳng gắn trên các vòng.

Hàm lượng các hợp chất dị nguyên tố tăng lên khá nhanh đối với lưu huỳnh và nitơ.

Các hợp chất hydrocacbon cũng không còn mà thay vào đó là các hợp chất với mạch

hydrocacbon dài kết nối với nhau qua các nguyên tố phi hydrocacbon như lưu huỳnh,

nitơ.

Trọng lương phân tử, tỷ lệ C/H của nhựa lớn hơn của dầu, tuy nhiên sư khác

biệt này rất khó xác định được chính xác. Một số tác giả cho rằng trọng phân tử của

nhựa nhỏ hơn 1000, số tác giả khác cho rằng nó nằm trong khoảng 1000 đến 2000

cũng có tác giả cho rằng giá trị nằm trong khoảng 1700 đến 3800. Các giá trị này thay

đôi trong khoảng rộng phụ thuộc vào nguồn gốc của Bitum, loại dung môi, cách tiến

hành trích ly thu nhận Bitum và cách đo khối phổ.

Như vậy, đối với Bitum khi xem xét từ dầu đến nhựa thì ta thấy một sự thay đổi

rỏ nét về cấu trúc. Cụ thể là đặc tính aromatic tăng lên kèm theo sự tăng về các hợp

chất dị nguyên tố, tăng trọng lượng phân tử và càng về cuối thì tính chất của nhựa

mang tính chất của asphalten.



6.1.3.2. Nhóm chất asphalten

Asphalten là một chất rắn, bở có màu nâu tối, có điểm chảy trong khoảng 120

đến 400oC, tỷ trọng lớn hơn 1, trọng lượng phân tử rất khó xác định, thường lớn hơn

1000. Hàm lượng và tính chất của Bitum phụ thuộc và các yếu tố sau:

Loại dầu thô (nguồn nguyên liệu): hàm lượng asphalten có thể thay đổi từ nhỏ

hơn 1% đến 40% trọng lượng Bitum.

Cách tiến hành để thu nhận Bitum: bitum thu nhận trực tiếp từ dầu thô, từ cặn

chung cất khí quyển, cặn chưng cất chân không, cặn của quá trình cracking . . .

Bản chất của dung môi và điều kiện tiến hành trích ly.

Cũng giống như nhựa, cấu trúc của asphalten rất phức tạp, các hợp chất

hydrocacbon không còn nữa mà thay vào đó là các hợp chất dị nguyên tố với cấu trúc

là mạch hydrocacbon dài trên đó có chứa các nguyên tố như lưu huỳnh, nitơ, oxy và

một số kim loại như Ni, V với hàm lượng thấp khoảng vài trăm phần triệu. Hàm lượng

của cacbon trong asphalten thường lớn hơn 85% tỷ lệ C/H khoảng bằng 1 điều này

cho thấy cấu trúc của chúng gồm nhiều các hợp chất ngưng tụ cao, đặc tính aromatic

thể hiện rỏ nét hơn nhựa, hàm lượng các hợp chất dị nguyên tố cũng tăng lên rất nhiều.

Như vậy, so với malten thì trong asphalten trọng lượng phân tử, đặc tính

aromatic và mức độ ngưng tụ tăng lên, giảm cycloparaffin và mạch nhánh dài, mạch

dài nhất có chứa 4 nguyên tử cacbon nhưng chủ yếu là các nhóm mêtyl.

Trong một vài loại Bitum hàm lượng oxy có thể lớn hơn 8% nhưng thông

thường giá trị này không vượt quá 2%. Oxy trong asphalten tồn tại chủ yếu dưới hai

dạng cacbonyl và ester, ngoài ra còn có thể tìm được oxy tồn tại dưới dạng cầu nối để

tạo ra hợp chất eter.

Lưu huỳnh trong asphalten tồn tại dưới dạng vòng ổn định như dạng cấu trúc

của thiophen, ngoài ra còn tìm thấy dạng hợp chất chứa nhiều hơn hai nguyên tử lưu

huỳnh trong một phân tử.

Nitơ trong asphalten tồn tại dưới dạng vòng ổn định như cấu trúc của pyridin,

porpyrin.



Trong asphalten chứa nhiều kim loại khác nhau như Ni, Fe mà trước đáng chú ý

là V khoảng 400 p.p.m các kim loại này tồn tại trong porpyrin, hợp chất cơ kim hoặc

các khoáng chất.

Qua phân tích ở trên cho thấy cấu trúc của Bitum chưa thể xác định được rỏ

ràng. Tuy nhiên với các thông tin về việc phân tích cấu trúc đáng tin cậy như trên cho

ta biết được sự biến thiên cấu trúc của Bitum khi đi từ phân đoạn nhẹ sang phân đoạn

nặng đó là sự giảm dần rồi biến mất của các cấu trúc hydrocacbon để thay thế dần các

cấu trúc phi hydrocacbon, trọng lượng phân tử tăng dần, tính aromatic tăng lên, theo

sự biến thiên này thì cấu trúc hydrocacbon dạng naphteno-aromatic với các nhánh

thẳng chiếm ưu thế dần và mạch thẳng giảm dần.

Như vậy, Bitum được cấu tạo từ hai phần chính, phần thứ nhất là một chất lỏng

nhớt đó là malten trong đó phân tán các chất rắn là asphalten và thực chất chúng tồn

tại như một hệ keo.

6.1.4. Cấu trúc hệ keo của Bitum

Qua phân tích thành phần cho thấy Bitum chứa nhiều nhóm chất có cấu trúc

khác nhau tuỳ thuộc vào nguyên liệu, dung môi, điều kiện tiến hành ... nhưng một cách

tổng quá ta có thể chia thành hai nhóm chính: Nhóm malten tồn tại ở trạng thái lỏng và

nhóm asphalten tồn tại ở trạng thái rắn. Hai nhóm chất này cùng tồn tại trong Bitum để

tạo ra một hệ keo trong đó malten là môi trường phân tán còn asphalten là tướng phân

tán. Thực tế thì các micelle trong hệ keo không chỉ chứa asphalten mà còn chứa các

hợp chất aromatic nhiều vòng của malten.

Tuỳ theo loại micelle có được keo hoá hay không mà Bitum có các tính chất

khác nhau. Bitum keo hoá được gọi là "gel" còn khi có sự pepti hoá xảy ra hoàn toàn

thì Bitum được gọi là "sol". Mức độ keo hoá phụ thuộc vào đồng thời bản chất của

malten, asphalten và nồng độ của các thành phần này. Sự keo hoá xãy ra hoàn toàn nếu

như malten chứa một lượng các hợp chất aromatic đủ lớn để tạo ra được lực hấp phụ

mạnh đối với asphalten, trong trường hợp ngược lại thì sẽ xãy ra sự keo hoá và thậm

chí có sự kết tủa asphalten. Trong trường hợp này ta gọi Bitum có cấu trúc gel vì có sự

lực hút qua lại của các micelle.



6.1.5. Xu hướng biến đổi của Bitum trong quá trình bảo quản và sử dụng.

Trong quá trình bảo quản và sử dụng thì Bitum luôn tiếp xúc các tác nhân gây

oxy hoá, do đó nó dễ bị biến đổi các tính chất của nó. Bản chất của quá trình biến đổi

này là quá trình oxy hoá và kết quả sẽ tạo ra các hợp chất nặng hơn.

Trong thành phần của Bitum thì các hợp chất aromatic kém ổn định nhất nó dễ

bị oxy hoá để tạo ra các hợp chất nặng còn các hợp chất paraffin có độ ổn định oxy

hoá cao nhất nên khó bị oxy hoá nhất. Khi bị oxy hoá thì nhóm dầu sẻ biến đổi chuyển

dần thành nhóm nhựa còn nhóm nhựa thì biến đổi dần thành asphalten. Như vậy thì

trong quá trình biến đổi hàm lượng của nhóm nhựa không thay đổi mấy, nhóm dầu sẻ

giảm và ngược lại nhóm asphalten tăng lên.

6.2. Ảnh hưởng của thành phần hoá học đến tính chất sử dụng của Bitum

Tuỳ theo lĩnh vực sử dụng mà có những yêu cầu cụ thể về những tính chất nhất

định của Bitum. Tuy nhiên những yêu cầu này chủ yếu tập trung vào khả năng chống

lại các tác động của môi trường bên ngoài như lão hoá, độ dẻo và độ cứng của Bitum.

Ở phần trước đã nghiên cứu cho thấy rằng trong thành phần hoá học của Bitum có

chứa nhiều nhóm chất khác nhau. Trong quá trình sử dụng các nhóm chất này sẻ có

những vai trò khác nhau trong việc đảm bảo các yêu cầu nêu trên.

Thông thường, đối với Bitum trong quá trình sử dụng người ta quan tâm đến ba

nhóm chất sau: nhóm dầu, nhóm nhựa và asphalten.

Nhóm dầu:

Trong quá trình sử dụng Bitum thường chịu tác động của các tác nhân gây oxy

hoá như nước, không khí, khí độc, nhiệt độ, xúc tác . . . do đó Bitum dễ bị biến chất.

Nhờ nhóm dầu có chứa nhiều hợp chất hydrocacbon no nó làm chậm lại quá trình biến

chất này.

Nhóm nhựa:

Nhóm nhựa trong Bitum đặc trưng cho tính dẻo của nó. điều này có ý nghĩa lớn

khi Bitum được sử dụng ở những nơi chịu tải nặng và có sự thay đổi khá lớn về nhiệt



độ, khi đó nếu như hàm lượng nhóm chất này quá thấp Bitum trở nên dòn và dễ bị nứt

dẫn đến bị hư hỏng.

Nhóm asphalten:

Nhóm này trong Bitum đặc trưng cho độ cứng và khả gắn kết các vật liệu.

Như vậy, mỗi một nhóm chất đặc trưng cho một tính chất nhất định của bitum

trong quá trình sử dụng.

Khi Bitum dùng làm nhựa đường thì nó đòi hỏi nó phải có độ gắn kết đá nhất

định, độ cứng cao, một độ dẻo cần thiết ở nhiệt độ thấp và độ chịu nắng mưa để hạn

chế sự biến chất.

Khi Bitum dùng làm vật liệu sản xuất tấm lợp trong xây dựng thì nó không cần

độ cứng, độ dẻo lớn nhưng nó đòi hỏi một khả năng chống lại các tác nhân gây oxy

hoá bên ngoài lớn.

6.3. Ứng dụng và phân loại

6.3.1. Lĩnh vực ứng dụng của Bitum

Bitum được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực sau:

Xây dựng các công trình giao thông

Chống thấm trong các công trình thuỷ lợi

Chống thấm trong các công trình dân dụng

Dùng làm vật liệu trong xây dựng dân dụng

Bitum được dùng như sơn nhằm chống thấm, chống ăn mòn, chất cất điện.

Trong các ứng dụng trên thì lượng bitum sử dụng cho các công trình công cộng

như đường xá, sân bay, cầu cảng, canh mương chiếm khoảng 85%.

6.3.2. Phân loại Bitum

Như chúng ta thấy bitum có thể thu nhận từ nhiều nguồn khác nhau và được sử

dụng cho nhiều mục đích nên thành phần của nó thay đôi trong khoảng rộng. Vì vậy có

rất nhiều các phân loại bitum khác nhau.



Nếu dựa vào nguồn gốc hoặc công nghệ chế biến hoặc trạng thái vật lý để chia Bitum

thành các loại khác nhau.

Khi dựa vào nguồn gốc của vật liệu ban đầu nthì Bitum được chia thành 3 loại

sau:

Bitum dầu mỏ

Bitum than đá

Bitum thiên nhiên

Khi dựa vào công nghệ chế biến thì người ta chia Bitum thành 2 loại sau:

Bitum bã

Bitum oxy hoá

Khi căn cứ vào trạng thái vật lý ở điều kiện thường thì Bitum được chia thành 3

loại sau:

Bitum rắn

Bitum đặc

Bitum lỏng.

Ngoài những cách phân loại trên thì trên thực tế bitum thường phân chia dựa vào

tính chất sử dụng của nó mà cụ thể là dựa vào độ xuyên kim hợac độ xuyên ki8m và

nhiệt độ chảy mềm để phân chia thành các loại khác nhau.

Ở Viêt Nam, bitum được chia theo độ xuyên kim thành 6 loại như sau: 20/30,

40/60, 60/70, 70/100, 100/150,150/250.

Ở Pháp thì bitum được phân chia dựa vào độ xuyên kim và nhiệt độ chảy mềm:

1. 75-30

2. 85-25

3. 90-40

4. 100-40

5. 125-30



6. 135-6

7. 103-13

8. 150-0

9. 170-2

Ý nghĩa của các số: số đầu là nhiệt độ chảy mềm, số sau là độ xuyên kim trong

khoảng xác định

Ví dụ:

Ở loại thứ 2 thì nhiệt độ chảy mềm trong khoảng từ 80-90oC và độ xuyên kim

của nó mằn trong khoảng

Trong các loại trên thì 5 loại đầu ở trạng thái mền, 6,7 cũng ở trạng thái đó

nhưng đặc hơn còn 2 loại cuối ở trạng thái rắn.

6.4. Chỉ tiêu kỹ thuật và sử dụng của Bitum

Cũng giống như các sản phẩm khác của dầu mỏ thì Bitum muốn trở thành một

sản phẩm thương phẩm, nó phải đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật và sử dụng nhất định.

6.4.1. Độ xuyên kim

Để đặc trưng cho độ cứng, độ dính quánh của Bitum người ta đưa ra khái niệm

độ xuyên kim.

Độ xuyên kim được đo bằng độ ngập sâu của một bộ kim chuẩn trong mẫu thử

ở điều kiện thí nghiệm (bộ kim chuẩn có trọng lượng bằng 100g, rơi tự do trong thời

gian 5 giấy ở nhiệt độ 25oC) độ xuyên kim được tính bằng 1/10 mm.

Độ xuyên kim của Bitum phụ thuộc vào thành phần hoá học của nó, khi hàm

lượng asphalten lớn thì giá trị này nhỏ, còn khi hàm lượng nhóm dầu tăng thì độ xuyên

kim tăng.

6.4.2. Độ dẻo

Khi làm việc thì nhiệt độ của Bitum sẻ thay đổi do đó độ dẻo của Bitum cũng sẻ

thay đổi theo.



Ở nhiệt độ xuống thấp độ dẻo của Bitum giảm đi, đồng thời độ dòn tăng lên,

trong trường hợp này Bitum dễ bị vỡ khi chịu lực tác động từ môi trường bên ngoài.

để đặc trưng cho tính dẻo người ta dùng khái niệm độ kéo dài.

Độ kéo dài của Bitum phụ thuộc vào bản chất hoá học của nó, khi hàm lượng

nhựa nhiều thì độ kéo dài càng lớn, còn khi asphalten lớn thì giá trị này giảm xuống.

6.4.3. Nhiệt độ chảy mềm

Nhiệt độ chảy mềm là nhiệt độ đọc được trên nhiệt kế khi viên bi chuẩn chứa

trong mẫu thử rơi xuống chạm đến đáy của một bộ dụng cụ thí nghiệm.


Sản phẩm dầu mỏ thương phẩm - Trương Hữu Trì

Documents

Transcript of Sản phẩm dầu mỏ thương phẩm - Trương Hữu Trì