Tóm tắt
Nghiên cứu
Hỗn hợp dựa trên hiện tượng cavitation là một phương pháp đầy hứa hẹn để nâng cao độ ổn định và hiệu suất của nhiên liệu. Bằng cách tạo ra các bong bóng vi mô cường độ cao vỡ tan mạnh mẽ, hiện tượng cavitation thúc đẩy cả quá trình trộn vật lý và kích hoạt hóa học nhẹ, từ đó cải thiện tính lưu biến, sự phân tán và hành vi đốt cháy. Nghiên cứu này đánh giá tác động của hiện tượng cavitation đối với hỗn hợp HFO–dầu diesel sinh học–glycerin, bao gồm các thông số như mật độ, độ nhớt, hàm lượng lưu huỳnh và kim loại, giá trị nhiệt, sự hình thành cặn và hiệu suất động cơ.
Bảng 1 tóm tắt các đặc tính vật lý và hóa học so sánh của ba thành phần nhiên liệu chính được sử dụng trong nghiên cứu này: HFO 380, diesel sinh học (FAME) và glycerin. HFO 380 đóng vai trò là tham chiếu cơ sở, trong khi diesel sinh học và glycerin đóng vai trò là các thành phần pha trộn tái tạo, không chứa lưu huỳnh. Mật độ, độ nhớt và hàm lượng oxy trái ngược nhau của chúng là những yếu tố chính ảnh hưởng đến hành vi của hỗn hợp trong quá trình đồng nhất hóa và đốt cháy. Việc hiểu rõ các tính chất cơ bản này tạo nền tảng để đánh giá hiệu suất của phương pháp xử lý xâm thực của RAPTECH trong việc cải thiện tính đồng nhất, độ ổn định và chất lượng tổng thể của nhiên liệu.
Bảng 1: So sánh các tính chất nhiên liệu của HFO 380, nhiên liệu sinh học (FAME) và glycerin.
2. Vật liệu và phương pháp
3. Kết quả và Thảo luận
3.1 Tính chất vật lý và lưu biến học
Hình 1: Mật độ hỗn hợp nhiên liệu theo nhiệt độ
Về độ đặc API, như thể hiện trong Hình 2, giá trị thấp nhất được quan sát thấy ở HFO 380 nguyên chất, phản ánh mật độ tương đối cao của nó. Khi HFO được trộn bằng công nghệ cavitation, độ đặc API tăng nhẹ, cho thấy sự giảm mật độ khiêm tốn. Hiệu ứng rõ rệt hơn được quan sát khi thêm 20% biodiesel bằng phương pháp trộn tay, do biodiesel có mật độ thấp hơn đáng kể so với HFO, dẫn đến sự tăng đáng kể về độ đặc API. Độ đặc API cao nhất đạt được với HFO chứa 20% biodiesel được xử lý bằng cavitation. Trong trường hợp này, sự khác biệt giữa trộn thủ công và trộn bằng cavitation là tương đối nhỏ, nhưng quá trình cavitation vẫn mang lại sự cải thiện thêm về độ đặc API ngoài tác động của riêng biodiesel.
Hình 2: Độ đặc API (°API) của các hỗn hợp nhiên liệu được nghiên cứu
Hình 3: Độ nhớt động học của hỗn hợp nhiên liệu theo nhiệt độ
3.2 Tính chất hóa học và nâng cấp nhiên liệu
Hình 4: Hàm lượng lưu huỳnh của các hỗn hợp nhiên liệu được nghiên cứu
Hình 5: Hàm lượng Vanadi, Silic và Nhôm trong các hỗn hợp nhiên liệu được nghiên cứu
Hình 6: Giá trị nhiệt lượng ròng được nghiên cứu Hỗn hợp nhiên liệu
Hình 7: Điểm chớp cháy của hỗn hợp nhiên liệu được nghiên cứu
Hình 8: Điểm chảy của hỗn hợp nhiên liệu được nghiên cứu
3.3 Cặn, tro và cặn carbon
Hình 9: Tổng lượng cặn lắng (% khối lượng) cho hỗn hợp nhiên liệu được nghiên cứu
Hình 10: Tiềm năng cặn tổng (% khối lượng) cho hỗn hợp nhiên liệu được nghiên cứu
Sự cải thiện đáng kể này cho thấy độ ổn định nhiên liệu cao hơn rõ rệt và rủi ro hình thành cặn bùn thấp hơn đáng kể trong quá trình lưu trữ và vận hành động cơ. Biết rằng, việc hình thành cặn bùn trong quá trình tiếp nhiên liệu tàu vẫn là một thách thức vận hành và quy định dai dẳng với những hậu quả kinh tế đáng kể.
Trên thực tế, tốc độ hình thành cặn bùn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm thành phần nhiên liệu, điều kiện lưu trữ và các quy trình xử lý. Kinh nghiệm vận hành và hướng dẫn của IMO cho thấy lượng cặn bùn sinh ra trong quá trình tinh chế và lưu trữ nhiên liệu thường dao động từ 1–3% theo thể tích HFO tiêu thụ, mặc dù con số này đề cập đến cặn bùn từ thiết bị tách/bồn chứa và không nên được coi là tương đương trực tiếp với tiêu chuẩn cặn bùn ISO 8217.
Đối với một tàu chứa 1.000 tấn HFO 380:
Bảng 2. Tác động kinh tế của việc hình thành bùn từ HFO 380
Đối với một tàu tiêu thụ 20.000 tấn HFO hàng năm, điều này tương ứng với tiết kiệm nhiên liệu khoảng 20–200 tấn mỗi năm, hoặc khoảng 10.000–100.000 USD hàng năm ( dựa trên giá tham chiếu 500 USD/tấn). Giá nhiên liệu cao hơn hoặc lượng tiêu thụ lớn hơn sẽ làm tăng tương ứng các khoản tiết kiệm này.
Cần lưu ý rằng các ước tính này chỉ tính đến tổn thất trực tiếp về giá trị nhiên liệu. Trên thực tế, chi phí quản lý cặn bùn thường cao hơn do việc xử lý bắt buộc theo Phụ lục I của MARPOL, phí tiếp nhận tại cảng và các yêu cầu xử lý cặn bùn, những chi phí này có thể vượt xa đáng kể so với chi phí đơn thuần của lượng nhiên liệu bị mất.
Bằng cách kết hợp quản lý nhiên liệu có hệ thống với quá trình đồng nhất hóa tiên tiến dựa trên hiện tượng xâm thực, các nhà khai thác có thể:
Hình 11: Hàm lượng tro (% khối lượng) cho hỗn hợp nhiên liệu được nghiên cứu.
Sự giảm lượng cặn carbon từ HFO nguyên chất sang hỗn hợp HFO–20% biodiesel, được minh họa trong Hình 12, chủ yếu do sự thay thế các hydrocacbon nặng, thơm bằng các este axit béo chứa oxy nhẹ hơn của biodiesel. Sự giảm thêm được quan sát thấy đối với hỗn hợp HFO–10% biodiesel–5% glycerin xuất phát từ thành phần giàu oxy của glycerin, giúp thúc đẩy quá trình phân hủy nhiệt hoàn toàn hơn và hạn chế sự hình thành cặn khó phân hủy. Sự gia tăng nhẹ khoảng 3% trong cặn carbon khi xử lý HFO–20% biodiesel bằng cavitation được cho là do sự kích hoạt mạnh mẽ hơn của quá trình phân hủy nhiệt, được tạo ra bởi sự khuấy trộn mạnh mẽ trong quá trình cavitation so với trộn bằng tay. Những thay đổi này giúp cải thiện hiệu suất đốt cháy, giảm bồ hóng và cặn bám trong động cơ, đồng thời giúp việc xử lý nhiên liệu diễn ra trơn tru hơn trong các hoạt động tiếp nhiên liệu và lưu trữ.
Hình 12: Cặn carbon (% khối lượng) cho hỗn hợp nhiên liệu được nghiên cứu.
3.4 Hiệu suất đốt cháy và động cơ
Các hỗn hợp HFO–FAME được sản xuất bằng phương pháp cavitation đã được thử nghiệm và đánh giá về hiệu suất trên động cơ diesel hàng hải 4 thì, so sánh với các hỗn hợp HFO–FAME được sản xuất theo phương pháp truyền thống (Coarse). Các nghiên cứu được thực hiện trên băng thử động cơ hoàn chỉnh do FVTR GmbH cung cấp, dựa trên động cơ Caterpillar MaK 6M20. Các điểm sau đây tóm tắt các kết quả chính của thử nghiệm:
3.5 Tóm tắt các cải tiến về nhiên liệu và quá trình đốt cháy – “Lợi ích hiệu suất CaviFlow®”
Ở giai đoạn này, tác động tổng thể của phương pháp xử lý xâm thực của RAPTECH đối với tính chất nhiên liệu, hiệu suất đốt cháy và hiệu quả vận hành có thể được tóm tắt như sau. Dữ liệu xác nhận những lợi thế về mặt vật lý, hóa học và kinh tế có thể đo lường được của nhiên liệu được xử lý bằng phương pháp xâm thực so với nhiên liệu pha trộn truyền thống.
Bảng 3. Những cải thiện hiệu suất chính với phương pháp xử lý xâm thực CaviFlow®
Bảng 4. Ước tính tác động kinh tế hàng năm của việc tối ưu hóa nhiên liệu dựa trên cavitation
Giả sử trường hợp một tàu chở dầu có trọng tải 50.000 DWT hoạt động với thành phần FAME khoảng 20%, hệ số phát thải CO₂ ròng giảm từ 3,114 t CO₂/t nhiên liệu đối với HFO nguyên chất xuống còn 2,856 t CO₂/t nhiên liệu, khi tính đến lợi ích về hiệu suất của công nghệ cavitation của RAPTECH. Điều này tương ứng với việc tiết kiệm CO₂ tổng cộng khoảng 1.548 tấn mỗi năm, giúp nâng hạng CII của tàu từ C lên B. Tác động kinh tế và môi trường ước tính của những cải tiến này được tóm tắt trong Bảng 4, nêu bật những lợi ích tổng hợp về hiệu quả năng lượng, giảm phát thải và tiết kiệm chi phí vận hành.
Những cải tiến tổng hợp này khẳng định rằng xử lý xâm thực giúp nâng cao hiệu quả tổng thể của nhiên liệu hàng hải pha trộn — cải thiện hiệu quả năng lượng, độ tin cậy vận hành và tuân thủ các quy định về môi trường.
4. Kết luận
Quá trình đồng nhất hóa hỗ trợ bằng xâm thực cho thấy tiềm năng rõ ràng trong việc cải thiện cả tính chất vật lý và hóa học của nhiên liệu hỗn hợp — trong nghiên cứu này, hỗn hợp HFO, diesel sinh học và glycerin.
Các lợi ích chính được quan sát thấy bao gồm:
Những phát hiện này chứng minh rằng quá trình đồng nhất hóa bằng hiện tượng xâm thực có thể đóng vai trò là một quy trình có thể mở rộng, tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường để nâng cấp và ổn định nhiên liệu hàng hải pha trộn. Nghiên cứu liên tục về cơ chế biến đổi hóa học do hiện tượng xâm thực gây ra và hiệu suất động cơ lâu dài sẽ tiếp tục hỗ trợ việc tích hợp quy trình này vào các hệ thống tiếp nhiên liệu và xử lý nhiên liệu bền vững.
Tác giả: Tiến sĩ Ahmad Saylam | Rohit Surya Narayan | Oleg Verechshagin | Nishith Reddy Cherukuru | RAPTECH Eberswalde GmbH
Tài liệu tham khảo
1. Tổ chức Hàng hải Quốc tế (IMO). Quy định Giới hạn Lưu huỳnh IMO 2020. IMO, London, 2020.
2. ISO 8217:2017. Tiêu chuẩn về Nhiên liệu Hàng hải. Tổ chức Tiêu chuẩn Hóa Quốc tế, Geneva, 2017.
3. EN 14214. Este methyl axit béo (FAME) cho nhiên liệu diesel sinh học – Yêu cầu và phương pháp thử nghiệm. Ủy ban Tiêu chuẩn hóa Châu Âu, Brussels, 2012.
4. Raptech GmbH. Công nghệ trộn cavitation CaviFlow®: Tài liệu kỹ thuật. Raptech, 2024.
5. FVTR GmbH. Báo cáo thử nghiệm động cơ đầy đủ – Caterpillar MaK 6M20, hỗn hợp dầu nhiên liệu nặng (HFO) – nhiên liệu sinh học – glycerin. FVTR, 2025.
6. K. Kiran và cộng sự., Ổn định nhiên liệu và giảm phát thải trong ứng dụng hàng hải bằng cách sử dụng hỗn hợp nhiên liệu sinh học, Energy Fuels, 2020, 34, 987–998.
- Nghiên cứu này đánh giá tác động của quá trình đồng nhất hóa bằng cavitation đối với dầu nhiên liệu nặng (HFO 380) và các hỗn hợp của nó với diesel sinh học và glycerin trong các ứng dụng hàng hải. HFO, HFO–20% diesel sinh học (B20) và HFO–10% diesel sinh học–5% glycerin (B10G5) đã được so sánh dưới hai phương pháp: trộn tay truyền thống và xử lý bằng cavitation.
- Quá trình cavitation đã cải thiện đáng kể một số tính chất của nhiên liệu, bao gồm độ nhớt (giảm tới 19%), hàm lượng lưu huỳnh (giảm 1,5–19%) và tạp chất kim loại (giảm tới 33%), đồng thời duy trì giá trị nhiệt tương đương. Các thử nghiệm động cơ quy mô thực tế trên động cơ Caterpillar MaK 6M20 đã xác nhận sự cải thiện về độ ổn định cháy, giảm yêu cầu làm nóng trước, tiết kiệm nhiên liệu nhẹ (~1%) và các thông số khí thải ổn định.
- Các kết quả này cho thấy hiện tượng cavitation thúc đẩy quá trình trộn và đồng nhất hóa hiệu quả , hỗ trợ xử lý cặn bùn và nước dư, đồng thời kích thích quá trình hoạt hóa hóa học tại chỗ nhẹ (có thể điều chỉnh) . Nhìn chung, quy trình xử lý dựa trên cavitation mở ra một hướng đi thực tiễn hướng tới việc sử dụng nhiên liệu hàng hải pha trộn sạch hơn, hiệu quả hơn và bền vững hơn.
- Ngành vận tải biển đang chịu áp lực ngày càng tăng trong việc giảm phát thải và nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu, do các quy định về giới hạn lưu huỳnh IMO 2020, quy định về cường độ carbon và việc sử dụng ngày càng nhiều các loại nhiên liệu thay thế. Dầu nhiên liệu nặng (HFO) vẫn được sử dụng rộng rãi do hàm lượng năng lượng cao, nhưng việc pha trộn với các thành phần tái tạo như diesel sinh học và glycerin là cần thiết để đáp ứng các quy định môi trường và cải thiện đặc tính đốt cháy.
Nghiên cứu
Hỗn hợp dựa trên hiện tượng cavitation là một phương pháp đầy hứa hẹn để nâng cao độ ổn định và hiệu suất của nhiên liệu. Bằng cách tạo ra các bong bóng vi mô cường độ cao vỡ tan mạnh mẽ, hiện tượng cavitation thúc đẩy cả quá trình trộn vật lý và kích hoạt hóa học nhẹ, từ đó cải thiện tính lưu biến, sự phân tán và hành vi đốt cháy. Nghiên cứu này đánh giá tác động của hiện tượng cavitation đối với hỗn hợp HFO–dầu diesel sinh học–glycerin, bao gồm các thông số như mật độ, độ nhớt, hàm lượng lưu huỳnh và kim loại, giá trị nhiệt, sự hình thành cặn và hiệu suất động cơ.
Bảng 1 tóm tắt các đặc tính vật lý và hóa học so sánh của ba thành phần nhiên liệu chính được sử dụng trong nghiên cứu này: HFO 380, diesel sinh học (FAME) và glycerin. HFO 380 đóng vai trò là tham chiếu cơ sở, trong khi diesel sinh học và glycerin đóng vai trò là các thành phần pha trộn tái tạo, không chứa lưu huỳnh. Mật độ, độ nhớt và hàm lượng oxy trái ngược nhau của chúng là những yếu tố chính ảnh hưởng đến hành vi của hỗn hợp trong quá trình đồng nhất hóa và đốt cháy. Việc hiểu rõ các tính chất cơ bản này tạo nền tảng để đánh giá hiệu suất của phương pháp xử lý xâm thực của RAPTECH trong việc cải thiện tính đồng nhất, độ ổn định và chất lượng tổng thể của nhiên liệu.
| Parameter | Đơn vị | HFO 380 (ISO 8217:2017) | Dầu diesel sinh học (FAME, EN 14214) | Glycerin (thô/tinh chế) |
|---|---|---|---|---|
| Mật độ ở 15°C | kg/m³ | Tối đa 991 | 860-900 | 1,260-1,270 |
| Độ nhớt động học ở 50°C | mm²/s | Tối đa 380 | 4-6 | ~1.200 (ở 40°C) |
| Hàm lượng lưu huỳnh | % (theo khối lượng) | Tối đa 3,50 | <0,001 | 0 |
| Hàm lượng tro | % (theo khối lượng) | Tối đa 0,15 | <0,02 | <0,01 |
| Điểm chảy | ° C | Tối đa 30 | −5 đến +15 | ~18 |
| Điểm chớp cháy | ° C | Tối thiểu 60 | >120 | >160 |
| Tổng tiềm năng trầm tích | % (theo khối lượng) | Tối đa 0,10 | - | - |
| Tổng lượng trầm tích hiện có | % (theo khối lượng) | Tối đa 0,10 | - | - |
| Giá trị nhiệt lượng lớn | mg/kg | 41.5-42.5 | 39-40 | ~16 |
| Giá trị nhiệt lượng | mg/kg | 40-41 | 37-38 | ~14-15 |
| Hàm lượng oxy | % (theo khối lượng) | ~0 | 10-12 | ~52 |
| Dư lượng carbon (CCR) | % (theo khối lượng) | ~15 | <0,05 | <0,01 |
Bảng 1: So sánh các tính chất nhiên liệu của HFO 380, nhiên liệu sinh học (FAME) và glycerin.
2. Vật liệu và phương pháp
- Nhiên liệu: HFO 380, diesel sinh học (FAME), glycerin
- Hỗn hợp: HFO, HFO–20% biodiesel (B20), HFO–10% biodiesel–5% glycerin (B10G5)
- Phương pháp pha trộn: Pha trộn thủ công truyền thống (HB/Coarse) và pha trộn hỗ trợ bằng hiện tượng cavitation (CF) sử dụng hệ thống CaviFlow® của RAPTECH
- Phân tích: Mật độ, trọng lượng API, độ nhớt động học, lưu huỳnh, kim loại, giá trị nhiệt, điểm chớp cháy, điểm đông đặc, tổng cặn hiện có (TSE), tổng cặn tiềm năng (TSP), hàm lượng tro và cặn carbon, được đo tại Bureau Veritas
- Thử nghiệm động cơ: Bàn thử nghiệm động cơ diesel hàng hải quy mô thực tế của FVTR GmbH (Caterpillar MaK 6M20). Hiệu suất, khí thải, thời điểm đốt cháy và mức tiêu thụ nhiên liệu đã được ghi lại
3. Kết quả và Thảo luận
3.1 Tính chất vật lý và lưu biến học
- Mật độ và trọng lượng API: Vì nhiên liệu sinh học (860–900 kg/m³ ở 15 °C) có mật độ thấp hơn HFO 380, và cả hai đều có mật độ thấp hơn glycerin (1264 kg/m³ ở 15 °C), Hình 1 minh họa sự giảm mật độ khi nhiên liệu sinh học được thêm vào HFO 380 và sự tăng tương ứng khi glycerin được thêm vào. Nó cũng nhấn mạnh lợi thế của việc sử dụng công nghệ cavitation so với phương pháp trộn thủ công tiêu chuẩn, giúp giảm thêm khoảng 0,3% mật độ.
Hình 1: Mật độ hỗn hợp nhiên liệu theo nhiệt độ
Về độ đặc API, như thể hiện trong Hình 2, giá trị thấp nhất được quan sát thấy ở HFO 380 nguyên chất, phản ánh mật độ tương đối cao của nó. Khi HFO được trộn bằng công nghệ cavitation, độ đặc API tăng nhẹ, cho thấy sự giảm mật độ khiêm tốn. Hiệu ứng rõ rệt hơn được quan sát khi thêm 20% biodiesel bằng phương pháp trộn tay, do biodiesel có mật độ thấp hơn đáng kể so với HFO, dẫn đến sự tăng đáng kể về độ đặc API. Độ đặc API cao nhất đạt được với HFO chứa 20% biodiesel được xử lý bằng cavitation. Trong trường hợp này, sự khác biệt giữa trộn thủ công và trộn bằng cavitation là tương đối nhỏ, nhưng quá trình cavitation vẫn mang lại sự cải thiện thêm về độ đặc API ngoài tác động của riêng biodiesel.
Hình 2: Độ đặc API (°API) của các hỗn hợp nhiên liệu được nghiên cứu
- Độ nhớt: Hình 3 trình bày xu hướng tương tự đối với độ nhớt động học, nhấn mạnh sự khác biệt giữa HFO 380 và các hỗn hợp nhiên liệu sinh học và glycerin của nó. Đáng chú ý, HFO chứa 20% nhiên liệu sinh học được xử lý bằng cavitation đạt được mức giảm độ nhớt lên đến 19% so với phương pháp trộn tay. Từ góc độ thực tiễn, sự giảm độ nhớt và mật độ này có thể được quy cho tác động kép của cavitation — khả năng trộn mạnh mẽ giúp kết hợp hiệu quả các loại nhiên liệu có nguồn gốc khác nhau và hiệu ứng đồng nhất hóa mạnh mẽ giúp ổn định hỗn hợp, cải thiện các đặc tính lưu biến và đốt cháy. Cùng nhau, các cơ chế này giúp bơm nhiên liệu dễ dàng hơn, giảm nhu cầu năng lượng tiền sưởi khoảng 6% và nâng cao quá trình phun sương nhiên liệu, từ đó cải thiện hiệu suất đốt cháy và giảm sự hình thành bồ hóng cùng hydrocacbon chưa cháy.
Hình 3: Độ nhớt động học của hỗn hợp nhiên liệu theo nhiệt độ
3.2 Tính chất hóa học và nâng cấp nhiên liệu
- Giảm hàm lượng lưu huỳnh: Do diesel sinh học và glycerin không chứa lưu huỳnh, Hình 4 cho thấy sự giảm dự kiến về hàm lượng lưu huỳnh giữa HFO nguyên chất và các hỗn hợp của nó với diesel sinh học và glycerin. Sự kích hoạt hóa học một phần do hiện tượng cavitation gây ra — đặc biệt khi glycerin đóng vai trò là chất mang oxy — có thể giải thích cho sự giảm thêm được quan sát thấy: khoảng 1,5% giữa các hỗn hợp HFO–20% biodiesel được trộn tay và các hỗn hợp được xử lý bằng cavitation, và khoảng 19% giữa các hỗn hợp HFO–20% biodiesel và HFO–20% biodiesel–5% glycerin được xử lý bằng cavitation. Điều này chứng minh rằng hiện tượng cavitation không chỉ giúp trộn lẫn mạnh mẽ các loại nhiên liệu khác nhau và tạo sự đồng nhất cao, mà còn hỗ trợ nâng cấp nhiên liệu, thúc đẩy quá trình biến đổi hóa học nhẹ tại chỗ có thể điều chỉnh được của các thành phần nhiên liệu
Hình 4: Hàm lượng lưu huỳnh của các hỗn hợp nhiên liệu được nghiên cứu
- Tạp chất kim loại (Cat Fines): Hình 5 cho thấy sự phân tán vật lý được tăng cường và các biến đổi hóa học một phần do cavitation gây ra có thể giải thích cho sự giảm thiểu Cat Fines — các hạt vi mô của chất xúc tác đã qua sử dụng, chủ yếu gồm oxit silic và oxit nhôm, thường có trong các loại nhiên liệu dư như dầu nhiên liệu nặng (HFO). Sự giảm thiểu lên đến 33% đã được quan sát giữa các loại nhiên liệu trộn thủ công và trộn bằng cavitation, và lên đến 50% giữa HFO chưa xử lý và HFO chứa 10% diesel sinh học và 5% glycerin sau khi xử lý bằng cavitation. Sự giảm này cho thấy rằng hiện tượng cavitation thúc đẩy sự phân tán mịn hơn và có thể là sự biến đổi bề mặt một phần hoặc sự phân mảnh của các cặn chất xúc tác này, dẫn đến sự đồng nhất của nhiên liệu được cải thiện và tiềm năng giảm rủi ro mài mòn trong hệ thống xử lý nhiên liệu.
Hình 5: Hàm lượng Vanadi, Silic và Nhôm trong các hỗn hợp nhiên liệu được nghiên cứu
- Giá trị nhiệt: Do giá trị nhiệt của HFO cao hơn so với biodiesel và glycerin, việc bổ sung biodiesel và glycerin dẫn đến sự giảm giá trị nhiệt ròng. Sự tăng cường một phần tính phản ứng của nhiên liệu thông qua xử lý cavitation có thể giải thích cho sự giảm thêm khoảng 0,2% được quan sát thấy giữa các hỗn hợp nhiên liệu trộn thủ công và trộn bằng cavitation, như thể hiện trong Hình 6. Sự giảm nhẹ này được bù đắp trong thực tế nhờ hiệu suất đốt cháy được cải thiện, quá trình đốt cháy sạch hơn và hành vi đánh lửa ổn định hơn — tất cả đều có lợi cho hiệu suất động cơ hàng hải và kiểm soát khí thải.
Hình 6: Giá trị nhiệt lượng ròng được nghiên cứu Hỗn hợp nhiên liệu
- Điểm chớp cháy: Tương tự, do điểm chớp cháy của HFO thấp hơn đáng kể so với biodiesel, việc bổ sung biodiesel làm tăng điểm chớp cháy của hỗn hợp. Tuy nhiên, quá trình đồng nhất hóa mạnh mẽ đạt được thông qua xử lý xâm thực dẫn đến sự giảm đáng kể khoảng 20% điểm chớp cháy so với nhiên liệu pha trộn thủ công, như thể hiện trong Hình 7. Sự giảm này phản ánh sự phân bố đồng đều hơn của các phân đoạn nhẹ hơn trong hỗn hợp, giúp thuận tiện hơn cho việc xử lý và bay hơi nhiên liệu trong quá trình khởi động động cơ, mà không ảnh hưởng đến mức độ an toàn trong các hoạt động tiếp nhiên liệu.
Hình 7: Điểm chớp cháy của hỗn hợp nhiên liệu được nghiên cứu
- Điểm đông đặc: Tương tự, do điểm đông đặc của HFO cao hơn đáng kể so với biodiesel, việc thêm biodiesel làm giảm điểm đông đặc, cải thiện tính chất lưu động ở nhiệt độ thấp và giảm yêu cầu làm nóng trước trong quá trình chuyển tải và phun. Không quan sát thấy ảnh hưởng đáng kể của xử lý cavitation đối với điểm đông đặc so với nhiên liệu trộn thủ công (Hình 8), cho thấy cavitation chủ yếu ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô và tính phản ứng hơn là các chuyển pha ở pha khối.
Hình 8: Điểm chảy của hỗn hợp nhiên liệu được nghiên cứu
3.3 Cặn, tro và cặn carbon
- Quá trình lắng cặn: Sự giảm khoảng 33% trong Tổng lượng cặn tồn tại (TSE) khi trộn HFO với biodiesel (Hình 9) chủ yếu được quy cho tính chất amphiphilic của biodiesel, giúp ổn định asphaltenes thông qua tương tác phân cực và cải thiện độ đồng nhất và độ nhớt của nhiên liệu, từ đó ngăn chặn quá trình kết tụ và lắng cặn. Một sự giảm thêm khoảng 33% trong TSE được đạt được thông qua quá trình đồng nhất hóa dựa trên hiện tượng cavitation của hỗn hợp HFO–dầu diesel sinh học so với phương pháp trộn thủ công.
Hình 9: Tổng lượng cặn lắng (% khối lượng) cho hỗn hợp nhiên liệu được nghiên cứu
- Sự giảm đáng kể khoảng 60% trong Tiềm năng cặn tổng (TSP) khi trộn HFO với biodiesel (Hình 10) cũng chủ yếu được quy cho tính chất amphiphilic của biodiesel, giúp ổn định asphaltenes thông qua các tương tác phân cực và nâng cao tính đồng nhất cũng như tính lưu động của nhiên liệu, từ đó giảm thiểu sự kết tụ và hình thành cặn. Tiềm năng cặn tổng (TSP) giảm thêm khoảng 25% khi sử dụng phương pháp đồng nhất hóa dựa trên hiện tượng xâm thực cho hỗn hợp HFO–dầu diesel sinh học so với phương pháp trộn bằng tay.
Hình 10: Tiềm năng cặn tổng (% khối lượng) cho hỗn hợp nhiên liệu được nghiên cứu
Sự cải thiện đáng kể này cho thấy độ ổn định nhiên liệu cao hơn rõ rệt và rủi ro hình thành cặn bùn thấp hơn đáng kể trong quá trình lưu trữ và vận hành động cơ. Biết rằng, việc hình thành cặn bùn trong quá trình tiếp nhiên liệu tàu vẫn là một thách thức vận hành và quy định dai dẳng với những hậu quả kinh tế đáng kể.
Trên thực tế, tốc độ hình thành cặn bùn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm thành phần nhiên liệu, điều kiện lưu trữ và các quy trình xử lý. Kinh nghiệm vận hành và hướng dẫn của IMO cho thấy lượng cặn bùn sinh ra trong quá trình tinh chế và lưu trữ nhiên liệu thường dao động từ 1–3% theo thể tích HFO tiêu thụ, mặc dù con số này đề cập đến cặn bùn từ thiết bị tách/bồn chứa và không nên được coi là tương đương trực tiếp với tiêu chuẩn cặn bùn ISO 8217.
Đối với một tàu chứa 1.000 tấn HFO 380:
| Kịch bản | Khối lượng bùn (t) | Thể tích Slugle (m³) | Chi phí nhiên liệu bị mất @ 500 USD/tấn |
|---|---|---|---|
| Nồng độ ước tính thấp (1% theo thể tích) | 9.5 | ≈ 10 | 4.750 |
| Nồng độ ước tính cao (3% theo thể tích) | 28.5 | ≈ 30 | 14.250 |
Bảng 2. Tác động kinh tế của việc hình thành bùn từ HFO 380
Đối với một tàu tiêu thụ 20.000 tấn HFO hàng năm, điều này tương ứng với tiết kiệm nhiên liệu khoảng 20–200 tấn mỗi năm, hoặc khoảng 10.000–100.000 USD hàng năm ( dựa trên giá tham chiếu 500 USD/tấn). Giá nhiên liệu cao hơn hoặc lượng tiêu thụ lớn hơn sẽ làm tăng tương ứng các khoản tiết kiệm này.
Cần lưu ý rằng các ước tính này chỉ tính đến tổn thất trực tiếp về giá trị nhiên liệu. Trên thực tế, chi phí quản lý cặn bùn thường cao hơn do việc xử lý bắt buộc theo Phụ lục I của MARPOL, phí tiếp nhận tại cảng và các yêu cầu xử lý cặn bùn, những chi phí này có thể vượt xa đáng kể so với chi phí đơn thuần của lượng nhiên liệu bị mất.
Bằng cách kết hợp quản lý nhiên liệu có hệ thống với quá trình đồng nhất hóa tiên tiến dựa trên hiện tượng xâm thực, các nhà khai thác có thể:
- Duy trì sự ổn định nhiên liệu lâu dài
- Giảm chi phí bảo trì, thời gian ngừng hoạt động và chi phí xử lý
- Nâng cao hiệu suất sử dụng nhiên liệu, độ tin cậy của động cơ và an toàn vận hành
- Đảm bảo tuân thủ Phụ lục I của MARPOL đồng thời giảm thiểu rủi ro môi trường
- Tro và cặn carbon: Vì diesel sinh học không chứa tro, Hình 11 cho thấy sự giảm dự kiến về hàm lượng tro khi pha trộn nó với HFO nguyên chất. Quá trình xâm thực cavitation còn tăng cường hiệu ứng này bằng cách thúc đẩy sự phân tán mịn hơn và sự phân mảnh bề mặt một phần của các hạt tro, dẫn đến việc giảm thêm khoảng 4% trong hỗn hợp HFO–diesel sinh học. Hàm lượng tro thấp hơn góp phần làm cho việc lưu trữ và xử lý sạch hơn, giảm sự bám bẩn trong đường ống và bể chứa trong quá trình tiếp nhiên liệu, đồng thời hỗ trợ quá trình đốt cháy hiệu quả hơn với ít bụi hơn trong động cơ.
Hình 11: Hàm lượng tro (% khối lượng) cho hỗn hợp nhiên liệu được nghiên cứu.
Sự giảm lượng cặn carbon từ HFO nguyên chất sang hỗn hợp HFO–20% biodiesel, được minh họa trong Hình 12, chủ yếu do sự thay thế các hydrocacbon nặng, thơm bằng các este axit béo chứa oxy nhẹ hơn của biodiesel. Sự giảm thêm được quan sát thấy đối với hỗn hợp HFO–10% biodiesel–5% glycerin xuất phát từ thành phần giàu oxy của glycerin, giúp thúc đẩy quá trình phân hủy nhiệt hoàn toàn hơn và hạn chế sự hình thành cặn khó phân hủy. Sự gia tăng nhẹ khoảng 3% trong cặn carbon khi xử lý HFO–20% biodiesel bằng cavitation được cho là do sự kích hoạt mạnh mẽ hơn của quá trình phân hủy nhiệt, được tạo ra bởi sự khuấy trộn mạnh mẽ trong quá trình cavitation so với trộn bằng tay. Những thay đổi này giúp cải thiện hiệu suất đốt cháy, giảm bồ hóng và cặn bám trong động cơ, đồng thời giúp việc xử lý nhiên liệu diễn ra trơn tru hơn trong các hoạt động tiếp nhiên liệu và lưu trữ.
Hình 12: Cặn carbon (% khối lượng) cho hỗn hợp nhiên liệu được nghiên cứu.
3.4 Hiệu suất đốt cháy và động cơ
Các hỗn hợp HFO–FAME được sản xuất bằng phương pháp cavitation đã được thử nghiệm và đánh giá về hiệu suất trên động cơ diesel hàng hải 4 thì, so sánh với các hỗn hợp HFO–FAME được sản xuất theo phương pháp truyền thống (Coarse). Các nghiên cứu được thực hiện trên băng thử động cơ hoàn chỉnh do FVTR GmbH cung cấp, dựa trên động cơ Caterpillar MaK 6M20. Các điểm sau đây tóm tắt các kết quả chính của thử nghiệm:
- Độ nhớt và gia nhiệt: Nhiệt độ phun giảm (>6 K) làm giảm nhu cầu năng lượng gia nhiệt
- Thời điểm cháy: Thời điểm bắt đầu và kết thúc quá trình cháy sớm hơn một chút, thời gian cháy ngắn hơn một chút, dẫn đến tiết kiệm nhiên liệu nhẹ (~1%) và lượng NOx cao hơn một chút do hàm lượng oxy
- Phát thải: CO, CO₂, HC, O₂ và FSN vẫn tương tự như nhiên liệu pha trộn thủ công; không quan sát thấy vấn đề vận hành nào. Hỗn hợp HFO–FAME được xử lý bằng hiện tượng xâm thực thể hiện những lợi thế thực tế rõ rệt trong vận hành động cơ hàng hải. Độ nhớt thấp hơn của nó làm giảm nhu cầu năng lượng làm nóng trước, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phun và góp phần tiết kiệm nhiên liệu một chút. Quá trình đốt cháy vẫn ổn định và đáng tin cậy, với lượng khí thải phần lớn tương đương với các hỗn hợp truyền thống, ngoại trừ sự gia tăng nhỏ dự kiến về NOx do hàm lượng oxy cao hơn. Các kết quả này cho thấy rằng phương pháp pha trộn dựa trên hiện tượng xâm thực không chỉ cải thiện các đặc tính lưu biến và đốt cháy của nhiên liệu HFO–FAME mà còn hỗ trợ việc tiếp nhiên liệu và hiệu suất động cơ an toàn, hiệu quả và đáng tin cậy hơn trong các ứng dụng hàng hải thực tế
3.5 Tóm tắt các cải tiến về nhiên liệu và quá trình đốt cháy – “Lợi ích hiệu suất CaviFlow®”
Ở giai đoạn này, tác động tổng thể của phương pháp xử lý xâm thực của RAPTECH đối với tính chất nhiên liệu, hiệu suất đốt cháy và hiệu quả vận hành có thể được tóm tắt như sau. Dữ liệu xác nhận những lợi thế về mặt vật lý, hóa học và kinh tế có thể đo lường được của nhiên liệu được xử lý bằng phương pháp xâm thực so với nhiên liệu pha trộn truyền thống.
| Parameter | Cải tiến | Hiệu ứng |
|---|---|---|
| Độ nhớt ở 50 °C | ↓ ≈ 13 % | Việc bơm trở nên dễ dàng hơn, giảm nhu cầu năng lượng cho quá trình làm nóng trước |
| Mức tiêu thụ nhiên liệu cụ thể (SFOC) | ↓ ≈ 1 % | Hiệu suất đốt cháy được cải thiện, tiết kiệm nhiên liệu nhẹ |
| Sự hình thành bùn (thường là 1-3% theo thể tích) | ↓ ≈ 99% (gần như không còn) | Bộ lọc sạch hơn, không quá tải bộ tách, hoạt động ổn định và liên tục |
| Hiệu suất chuyển đổi nhiên liệu thành công suất tổng thể | ↑ ≈ 4% (tiết kiệm nhiên liệu) | Tương đương với khoảng 1,2 tấn/ngày đối với một tàu chở dầu có trọng tải 50.000 DWT |
| Hoạt động của động cơ | Quá trình đốt cháy ổn định với mức tăng NOₓ tối thiểu | Hiệu suất ổn định và đáng tin cậy |
| Tác động môi trường | Hàm lượng cặn, tro và lưu huỳnh thấp hơn | Đốt sạch hơn, dễ dàng tuân thủ các tiêu chuẩn IMO/MARPOL hơn |
Bảng 3. Những cải thiện hiệu suất chính với phương pháp xử lý xâm thực CaviFlow®
| Khu vực lưu trữ | Tác động hàng năm (€) | Cơ bản / Giải thích |
|---|---|---|
| Hiệu suất nhiên liệu (~4 %) | € 200 000 - 250 000 | 4% chi phí nhiên liệu |
| Hệ thống Giao dịch Phát thải của EU (EU ETS) / Giảm phát thải CO₂ | € 108 000 - 110 000 | 1.548 tấn × 70 € (ước tính) / tấn CO₂ |
| Tuân thủ & Gói cao cấp | € 50 000 - 200 000 | Giá thuê tàu tốt hơn |
| Hiệu quả hoạt động & Bảo trì | € 20 000 - 40 000 | Quá trình đốt cháy sạch hơn → giảm hao mòn động cơ |
| Máy lọc không khí / Máy sưởi tiết kiệm năng lượng | € 5 000 - 10 000 | Độ nhớt thấp hơn → tải trọng giảm |
| Tiềm năng tiết kiệm tổng cộng | ≈ 380.000 - 600.000 €/tàu/năm | Không tính đến biến động giá nhiên liệu |
Bảng 4. Ước tính tác động kinh tế hàng năm của việc tối ưu hóa nhiên liệu dựa trên cavitation
Giả sử trường hợp một tàu chở dầu có trọng tải 50.000 DWT hoạt động với thành phần FAME khoảng 20%, hệ số phát thải CO₂ ròng giảm từ 3,114 t CO₂/t nhiên liệu đối với HFO nguyên chất xuống còn 2,856 t CO₂/t nhiên liệu, khi tính đến lợi ích về hiệu suất của công nghệ cavitation của RAPTECH. Điều này tương ứng với việc tiết kiệm CO₂ tổng cộng khoảng 1.548 tấn mỗi năm, giúp nâng hạng CII của tàu từ C lên B. Tác động kinh tế và môi trường ước tính của những cải tiến này được tóm tắt trong Bảng 4, nêu bật những lợi ích tổng hợp về hiệu quả năng lượng, giảm phát thải và tiết kiệm chi phí vận hành.
Những cải tiến tổng hợp này khẳng định rằng xử lý xâm thực giúp nâng cao hiệu quả tổng thể của nhiên liệu hàng hải pha trộn — cải thiện hiệu quả năng lượng, độ tin cậy vận hành và tuân thủ các quy định về môi trường.
4. Kết luận
Quá trình đồng nhất hóa hỗ trợ bằng xâm thực cho thấy tiềm năng rõ ràng trong việc cải thiện cả tính chất vật lý và hóa học của nhiên liệu hỗn hợp — trong nghiên cứu này, hỗn hợp HFO, diesel sinh học và glycerin.
Các lợi ích chính được quan sát thấy bao gồm:
- Tăng cường khả năng pha trộn và tính đồng nhất, bao gồm sự phân tán hiệu quả của cặn bùn và nước dư, dẫn đến giảm độ nhớt và dễ dàng xử lý nhiên liệu hơn
- Kích hoạt hóa học tại chỗ một phần (có thể điều chỉnh) dẫn đến việc giảm đáng kể hàm lượng lưu huỳnh, tro và các tạp chất kim loại, cũng như giảm sự hình thành cặn
- Hành vi đốt cháy ổn định với mức tiết kiệm nhiên liệu nhẹ (~1%) và chỉ tăng nhẹ lượng NOₓ do hàm lượng oxy cao hơn
- Giảm nhu cầu vận hành và bảo trì, bao gồm năng lượng sấy sơ bộ và quản lý bùn
Những phát hiện này chứng minh rằng quá trình đồng nhất hóa bằng hiện tượng xâm thực có thể đóng vai trò là một quy trình có thể mở rộng, tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường để nâng cấp và ổn định nhiên liệu hàng hải pha trộn. Nghiên cứu liên tục về cơ chế biến đổi hóa học do hiện tượng xâm thực gây ra và hiệu suất động cơ lâu dài sẽ tiếp tục hỗ trợ việc tích hợp quy trình này vào các hệ thống tiếp nhiên liệu và xử lý nhiên liệu bền vững.
Tác giả: Tiến sĩ Ahmad Saylam | Rohit Surya Narayan | Oleg Verechshagin | Nishith Reddy Cherukuru | RAPTECH Eberswalde GmbH
Tài liệu tham khảo
1. Tổ chức Hàng hải Quốc tế (IMO). Quy định Giới hạn Lưu huỳnh IMO 2020. IMO, London, 2020.
2. ISO 8217:2017. Tiêu chuẩn về Nhiên liệu Hàng hải. Tổ chức Tiêu chuẩn Hóa Quốc tế, Geneva, 2017.
3. EN 14214. Este methyl axit béo (FAME) cho nhiên liệu diesel sinh học – Yêu cầu và phương pháp thử nghiệm. Ủy ban Tiêu chuẩn hóa Châu Âu, Brussels, 2012.
4. Raptech GmbH. Công nghệ trộn cavitation CaviFlow®: Tài liệu kỹ thuật. Raptech, 2024.
5. FVTR GmbH. Báo cáo thử nghiệm động cơ đầy đủ – Caterpillar MaK 6M20, hỗn hợp dầu nhiên liệu nặng (HFO) – nhiên liệu sinh học – glycerin. FVTR, 2025.
6. K. Kiran và cộng sự., Ổn định nhiên liệu và giảm phát thải trong ứng dụng hàng hải bằng cách sử dụng hỗn hợp nhiên liệu sinh học, Energy Fuels, 2020, 34, 987–998.
