Nghiên cứu thiết kế chế tạo động cơ sử dụng hai nhiên liệu biogas diesel trên cơ sở động cơ diesel một xy lanh tĩnh tại

Nghiên cứu thiết kế chế tạo động cơ sử dụng hai nhiên liệu biogas/diesel trên cơ sở động cơ diesel một xy lanh tĩnh tại

Lê Minh Tiến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Đà Nẵng - Năm 2013

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG HAI NHIÊN LIỆU BIOGAS/DIESEL TRÊN CƠ SỞ ĐỘNG CƠ

MỘT XI LANH TĨNH TẠI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Lê Minh Tiến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

MỘT XI LANH TĨNH TẠI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Lê Minh Tiến

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 3

MỤC LỤC 4

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 8

1 CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ LA TINH: 8

2 CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ HY LẠP: 8

3 CÁC CHỮ VIẾT TẮT: 9

DANH MỤC CÁC BẢNG 10

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 11

-MỞ ĐẦU 1

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 2

3 GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU 2

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN 3

6 CẤU TRÚC NỘI DUNG LUẬN ÁN 3

7 NHỮNG KẾT QUẢ MỚI CỦA LUẬN ÁN 4

Chương 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 5

1.1 VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG VÀ MÔI TRƯỜNG 5

1.1.1 Nhiên liệu hóa thạch và sự bùng nổ khí hậu 5

1.1.2 Nhiên liệu thay thế có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời 9

1.2 NHIÊN LIỆU BIOGAS SỬ DỤNG CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 10

1.2.1 Tính chất biogas 10

1.2.2 Yêu cầu chất lượng biogas để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong 12

1.2.3 Công nghệ lọc tạp chất trong biogas tại Việt Nam [4] 14

1.2.4 Chỉ số mêtan của biogas 16

1.3 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 16

1.3.1 Nghiên cứu và ứng dụng biogas trên thế giới 16

1.3.2 Nghiên cứu và ứng dụng biogas tại Việt Nam 21

1.4 NHU CẦU ĐỘNG CƠ BIOGAS CỠ NHỎ TẠI VIỆT NAM 25

1.4.1 Nhu cầu công suất kéo máy phát điện và máy công tác 25

1.4.2 Đặc điểm của công nghệ hai nhiên liệu biogas/diesel Gatec-20 27

1.4.3 Lựa chọn động cơ nghiên cứu phát triển phù hợp 28

1.5 KẾT LUẬN 29

Chương 2 PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ DIESEL THÀNH ĐỘNG CƠ HAI NHIÊN LIỆU BIOGAS/DIESEL 31

2.1 CÁC GIẢI PHÁP CHUYỂN ĐỔI 31

2.1.1 Giải pháp động cơ đánh lửa cưỡng bức 31

2.1.2 Giải pháp động cơ nhiên liệu kép 32

2.2 TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG BIOGAS 33

2.2.1 Động cơ sử dụng biogas đánh lửa cưỡng bức 33

2.2.2 Động cơ nhiên liệu kép 37

2.3 CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ DIESEL THÀNH ĐỘNG CƠ HAI NHIÊN LIỆU BIOGAS/DIESEL 38

2.3.1 Phạm vi sử dụng của động cơ hai nhiên liệu biogas/diesel 38

2.3.2 Yêu cầu thiết kế chuyển đổi 38

2.3.3 Xác định phương án nghiên cứu tính toán thiết kế 39

2.4 GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ NGHIÊN CỨU 45

2.4.1 Thông số động cơ 45

2.4.2 Kích thước 46

2.4.3 Đặc tính động cơ 47

2.5 KẾT LUẬN 47

Chương 3 MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH CHÁY NHIÊN LIỆU KÉP BIOGAS/DIESEL 49

3.1 LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHÁY NHIÊN LIỆU KHÍ 49

3.1.1 Lý thuyết cháy của hỗn hợp không hòa trộn trước 50

3.1.2 Lý thuyết quá trình cháy hỗn hợp hòa trộn trước 58

3.1.3 Lý thuyết quá trình cháy hòa trộn trước cục bộ 64

3.2 TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY 70

3.2.1 Thiết lập mô hình tính toán trong Ansys® Fluent 70

3.2.2 Đánh giá quá trình cháy nhiên liệu kép 73

3.2.3 Đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố vận hành đến tính năng động cơ hai nhiên liệu biogas/diesel 75

3.3 KẾT LUẬN 87

Chương 4 THIẾT KẾ CHẾ TẠO ĐỘNG CƠ HAI NHIÊN LIỆU BIOGAS/DIESEL

VIKYNO EV2600-NB-BIO TRÊN CƠ SỞ MẪU ĐỘNG CƠ VIKYNO EV2600-NB

89

4.1 THIẾT KẾ BỘ TẠO HỖN HỢP 89

4.1.1 Tính toán thành phần hỗn hợp qua bộ tạo hỗn hợp 89

4.1.2 Tính toán các thông số của bộ tạo hỗn hợp 90

4.1.3 Thiết kế bộ tạo hỗn hợp 93

4.1.4 Tính toán mô phỏng bằng phần mềm Ansys® Fluent 93

4.1.5 Các thông số chọn và kết quả tính toán điều kiện biên 95

4.1.6 Kết quả tính toán: Trường áp suất, thành phần CH4, O2, vector tốc độ 98

4.2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU TỐC BIOGAS 108

4.2.1 Đặc điểm 108

4.2.2 Xác định phương án lắp đặt bộ điều tốc biogas lên cơ cấu chuyển động quay sẵn có trên động cơ 108

4.2.3 Định vị cơ cấu điều tốc lên trục cân bằng trên 109

4.2.4 Đo xác định kích thước nắp máy 111

4.2.5 Thiết kế nắp máy và các cơ cấu điều khiển 112

4.2.6 Tính toán bộ điều tốc biogas 113

4.2.7 Chế tạo lắp đặt nắp máy, càng điều khiển và cơ cấu điều tốc 119

4.3 KẾT LUẬN 121

Chương 5 THỬ NGHIỆM TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ 122

5.1 THỰC NGHIỆM ĐO ĐẠC TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ 122

5.1.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 122

5.1.2 Các phương án lắp đặt động cơ biogas lên băng thử công suất 123

5.1.3 Vít hạn chế lượng phun tối thiểu 124

5.1.4 Các thiết bị phục vụ thực nghiệm chính 125

5.1.5 Bảng thông số thiết bị 127

5.1.6 Các bước tiến hành thực nghiệm 128

5.1.7 Đo đạc tính năng của động cơ tại nguồn khí 128

5.2 SO SÁNH KẾT QUẢ CHO BỞI MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 132

5.2.1 Phạm vi so sánh 132

5.2.2 So sánh ảnh hưởng của độ đậm đặc hỗn hợp 133

5.2.3 So sánh ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu đến đường đặc tính ngoài động cơ 135

5.3 KẾT LUẬN 137

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 139

1 KẾT LUẬN 140

2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 143

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 144

TÀI LIỆU THAM KHẢO 145

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1 CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ LA TINH:

- l b [m] Chiều dài buồng hỗn hợp

- p h [Pa] Độ chân không tại họng

- f fuel Thành phần nhiên liệu trong hỗn hợp

- f sec Thành phần nhiên liệu thứ cấp trong hỗn hợp

- f ox Thành phần chất oxy hóa trong hỗn hợp

- p sec Giá trị tương đối của thành phần hỗn hợp thứ cấp

- S m Đại lượng nguồn chỉ do truyền chất từ các hạt nhiên

liệu lỏng hay các hạt phản ứng vào pha khí

- S user Đại lượng nguồn do người sử dụng định nghĩa

2 CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ HY LẠP:

- : [độ] Góc quay trục khủy

- s : [độ] Góc đánh lửa sớm (góc phun diesel mồi)

-  Số kỳ

- air [kg/m3] Khối lượng riêng của không khí

NGHIỆP MIỀN NAM

- TBN Chỉ số kiềm tổng (Total Base Number)

- MN Chỉ số mêtan (Methane Number)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Thành phần trung bình các thành phần của biogas [74] 11

Bảng 1.2: Sản lượng CH4 theo lý thuyết [74] 12

Bảng 1.3: Sản lượng CH4 với nguồn nguyên liệu khác nhau [74] 12

Bảng 1.4: Thời gian sử dụng động cơ biogas theo số lượng lợn và công suất động cơ 25

Bảng 2.1: Thông số động cơ Vikyno EV2600-NB 46

Bảng 2.2: Kích thước và thông số cơ bản của động cơ Vikyno EV2600-NB 47

Bảng 3.1: Giá trị của các hệ số của phương trình (3.42) 67

Bảng 3.2: Giá trị các hệ số của phương trình (3.44) 68

Bảng 3.3: Tương quan giữa f và ϕ (biogas chứa 60% thể tích CH4) 77

Bảng 4.1: Hệ số dao động của dòng chảy 91

Bảng 4.2: Các thống số chọn và kết quả tính toán khối lượng hỗn hợp giả định 95

Bảng 4.3: Kết quả tính toán áp suất chân không trung bình theo tốc độ động cơ 96

Bảng 4.4: Bảng thông số chọn và kết quả tính lượng phun mồi 96

Bảng 4.5: Lượng không khí cần để đốt kiệt lượng diesel mồi theo tốc độ động cơ 96 Bảng 4.6: Thông số chọn để tính công suất động cơ hai nhiên liệu biogas/diesel dựa trên khả năng cung cấp của bộ hòa trộn 96

Bảng 4.7: Thông số nhiên liệu biogas với các thành phần khác nhau 97

Bảng 4.8: Quan hệ góc mở và % độ mở bướm ga 97

Bảng 4.9: Vị trí bướm ga để ϕ=1 khi n=1000 vòng/phút 105

Bảng 4.10: Vị trí bướm ga để ϕ=1 khi n=2200 vòng/phút 105

Bảng 4.11: Các thông số đo được của bộ điều tốc biogas 114

Bảng 4.12: Chiều dài càng bướm ga theo từng loại nhiên liệu 116

Bảng 4.13: Tốc độ làm việc của động cơ theo biến dạng ban đầu của lò xo điều tốc 116

Bảng 5.1: Thông số các thiết bị thí nghiệm 127

Bảng 5.2: Bảng nội dung thực nghiệm 128

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Con người khai thác nhiên liệu hóa thạch 5

Hình 1.2: Biến thiên nhiệt độ khí quyển và nồng độ CO2 trong 1000 năm gần đây 6

Hình 1.3: Biến thiên nhiệt độ khí quyển và nồng độ CO2 trong 100 năm gần đây 6

Hình 1.4: Biến thiên nhiệt độ trung bình thực tế trên mặt đất a: Mô hình có xem xét yếu tố do hoạt động của con người b: Mô hình không xem xét yếu tố do hoạt động của con người 6

Hình 1.5: Dòng nước luân chuyển trong đại dương 7

Hình 1.6: Sự gia tăng mực nước biển theo các kịch bản khác nhau và các yếu tố làm tăng mực nước biển 7

Hình 1.7: Bản đồ ngập mặn do nước biển dâng ở Việt Nam 8

Hình 1.8: Nồng độ CO2 trong bầu khí quyển theo các kịch bản phát thải khác nhau 8 Hình 1.9: Sơ đồ trung hòa Carbon của nhiên liệu biogas 11

Hình 1.10: Yêu cầu lọc biogas đối với các phương tiện sử dụng khác nhau 14

Hình 1.11: Các phương án lọc H2S 15

Hình 1.12: Hiệu quả lọc hấp phụ H2S bằng các vật liệu lọc khác nhau 15

Hình 1.13: Động cơ biogas kéo máy phát điện và xay xát 22

Hình 1.14: Giá thành và tiết kiệm khi sử dụng động cơ biogas [13] 26

Hình 1.15: Bộ Gatec-20 27

Hình 1.16: Động cơ RV70 kéo máy phát 3KVA lắp bộ Gatec-20 27

Hình 2.1: Giới hạn cháy của hỗn hợp với thành phần CH4 và CO2 khác nhau [44] 33 Hình 2.2: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến tính năng động cơ [67] 34

Hình 2.3: Ảnh hưởng của CO2 đến nhiệt độ ngọn lửa [44] 34

Hình 2.4: Ảnh hưởng của tỉ số nén động cơ đến công suất, nhiên liệu: 100% mêtan [56] 35

Hình 2.5: Góc đánh lửa sớm tối ưu [67] 35

Hình 2.6: Ảnh hưởng của thành phần mêtan trong biogas đến tính năng động cơ Tỉ số nén =15:1 36

Hình 2.7: Bộ tạo hỗn hợp kiểu Venturi 40

Hình 2.8: Nguyên lý cấp biogas và điều chỉnh lượng phun mồi 41

Hình 2.9: Chế độ làm việc của động cơ gắn điều tốc 44

Hình 2.10: Nguyên lý cấp biogas tự động bằng điều tốc ly tâm 45

Hình 2.11: Kích thước cơ bản của động cơ Vikyno EV2600-NB 46

Hình 2.12: Các đặc tính động cơ Vikyno EV2600-NB cho bởi nhà sản xuất 47

Hình 3.1: Quan hệ giữa ffuel, fsec và fox 51

Hình 3.2: Quan hệ giữa ffuel, fsec và psec 51Hình 3.3: Biểu diễn đồ thị hàm mật độ xác suất p(f) 55Hình 3.4: Ví dụ hàm pdf delta kép 57Hình 3.5: Sự phụ thuộc logic của các đại lượng trung bình vào , và mô hình hóa học (hệ thống đoạn nhiệt, một thành phần hỗn hợp) 58Hình 3.6: Ảnh hưởng của áp suất đến biến thiên tốc độ cháy CH4 theo  ở nhiệt độ 400K [50] 66Hình 3.7: Ảnh hưởng của áp suất đến biến thiên tốc độ cháy theo nhiệt độ ở =1 [50] 66Hình 3.8: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ cháy chảy tầng của hỗn hợp CH4/không khí bị làm bẩn ở p=3,5atm và =1 [28] 68Hình 3.9: Ảnh hưởng của áp suất đến tốc độ cháy chảy tầng của hỗn hợp CH4/không khí bị làm bẩn ở T=350K và =1 [28] 69Hình 3.10: Kết quả thực nghiệm biến thiên tốc độ cháy chảy tầng theo tỉ lệ các chất khí làm bẩn hỗn hợp khác nhau (Ngọn lửa CH4/không khí, p = 0.1 MPa, T = 393 K,

= 1) [36] 69Hình 3.11: Ảnh hưởng của CO2 đến tốc độ cháy chảy tầng của hỗn hợp CH4/không khí ở 1bar và 298K [69] 70Hình 3.12: Kích thước chi tiết và hình dạng mô hình tính toán 71Hình 3.13: Chia lưới 72Hình 3.14: Biến thiên của trường nồng độ CH4, trường nhiệt độ và trường tốc độ hỗn hợp trong buồng cháy (ứng với M6C4; n=1400 v/ph; s=30 độ; f=0,14; Vf=2) 74Hình 3.15: Biến thiên của trường nồng độ CH4, trường nhiệt độ và trường tốc độ hỗn hợp trong buồng cháy (ứng với M8C2; n=1400 v/ph; s=30 độ; f=0,088; Vf=2) 75Hình 3.16: Áp suất chỉ thị ứng với s: 20, 30, 40, 50 (độ);M7C3;n=2000 v/ph 75Hình 3.17: Áp suất chỉ thị ứng với ps: 20, 30, 40, 50 (độ); M7C3;n=2000 v/ph 76Hình 3.18: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến công chỉ thị/chu trình Wi(J) (n=2200 v/ph, M7C3) 76Hình 3.19: Biến thiên nồng độ O2 (M6C4; n=2000 v/ph; s=40 độ) 77Hình 3.20: Biến thiên nồng độ CH4 (M6C4; n=2000 v/ph; s= 40 độ) 77Hình 3.21: Biến thiên nhiệt độ trung bình môi chất (K) (n=2000 v/ph; s=40 độ; M6C4) 78Hình 3.22: Áp suất chỉ thị theo dung tích xi lanh (M6C4; s= 40 (độ); n=2000 v/ph) 78Hình 3.23: Áp suất chỉ thị theo góc quay trục khuỷu (M6C4; s= 40 (độ); n=2000 v/ph) 79Hình 3.24: Công chỉ thị theo độ đậm đặc của hỗn hợp (M6C4, n=2000 v/ph; s= 40 độ) 79

i

'

f

Hình 3.25: Diễn biến quá trình cháy tại vị trí  =339 độ 80

Hình 3.26: Diễn biến quá trình cháy tại vị trí  =357 độ 80

Hình 3.27: Áp suất chỉ thị theo góc quay trục khuỷu (M6C4;s= 30 độ; ϕ=1) 81

Hình 3.28: Áp suất chỉ thị của động cơ theo dung tích xi lanh ứng với M6C4;s= 30 (độ);ϕ=1 81

Hình 3.29: Wi=f(n); n=2000v/ph; s==30 độ; ϕ=1; M6C4 82

Hình 3.30: Pi=f(n); n=2000v/ph; s==30 độ; ϕ=1; M6C4 82

Hình 3.31: Diễn biến nồng độ CH4 theo  n=800 v/ph; s= 30 độ; ϕ=1 83

Hình 3.32: Diễn biến nồng độ CH4 theo  n=1400 v/ph; s= 30 độ; ϕ=1 83

Hình 3.33: Nhiệt độ trung bình môi chất theo ; n=800 v/ph; s= 30 độ; ϕ=1 84

Hình 3.34: Nhiệt độ trung bình môi chất theo ; n=1400 v/ph; s= 30 độ; ϕ=1 84

Hình 3.35: Áp suất chỉ thị chu trình theo  ứng với n=800 v/ph; s= 30 độ; ϕ=1 85

Hình 3.36: Áp suất chỉ thị chu trình theo  ứng với n=1400 v/ph; s= 30 độ; ϕ=1 85 Hình 3.37: Áp suất chỉ thị chu trình theo Vh ứng với n=800 v/ph; s= 30 độ; ϕ=1 85 Hình 3.38: Áp suất chỉ thị chu trình theo Vh ứng với n=1400 v/ph; s= 30 độ; ϕ=1 86 Hình 3.39: Biến thiên công chỉ thị theo tốc độ động cơ;s= 30 độ; ϕ=1 86

Hình 3.40: Biến thiên công suất chỉ thị theo tốc độ động cơ s= 30 độ; ϕ=1 87

Hình 4.1: Bộ tạo hỗn hợp biogas không khí 93

Hình 4.2: Dòng chảy trong bộ tạo hỗn hợp sử dụng để mô phỏng 94

Hình 4.3: Chia lưới dòng chảy qua bộ tạo hỗn hợp 94

Hình 4.4: Đặc tính lưu lượng theo độ mở bướm ga 97

Hình 4.5: Trường áp suất tĩnh (M6C4, bướm ga 87%) 98

Hình 4.6: Trường hàm lượng CH4 (M6C4, bướm ga 87%) 98

Hình 4.7: Trường hàm lượng CO2 (M6C4, bướm ga 87%) 98

Hình 4.8: Trường hàm lượng O2 (M6C4, bướm ga 87%) 99

Hình 4.9: Trường tốc độ (M6C4, bướm ga 87%) 99

Hình 4.10: Biên thiên độ đậm đặc ϕ theo tốc độ động cơ n ứng với nhiên liệu biogas chứa thành phần CH4 khác nhau 100

Hình 4.11: Biến thiên ϕ=f(n) ứng vớ M6C4, bướm ga ở vị trí 30 độ 100

Hình 4.12: Thay đổi độ đậm đặc của hỗn hợp theo tốc độ động cơ (Bướm ga ở vị trí 50 độ, tiết diện lưu thông 19%) 101

Hình 4.13: Biến thiên ϕ=f(n) ứng với M7C3, bướm ga ở vị trí 30 độ 101

Hình 4.14: Thay đổi độ đậm đặc của hỗn hợp theo tốc độ động cơ ở các vị trí bướm ga khác nhau của nhiên liệu M5C5 102

Hình 4.15: Thay đổi độ đậm đặc của hỗn hợp theo tốc độ động cơ ở các vị trí bướm ga khác nhau của nhiên liệu M9C1 102

Hình 4.16: Biến thiên độ đậm đặc ϕ theo độ mở bướm ga của các nhiên liệu khác

nhau tại giá trị tốc độ n=1000 vòng/phút 103

Hình 4.17: Biến thiên độ đậm đặc ϕ theo tốc độ động cơ của các nhiên liệu khác nhau xuất phát từ giá trị ban đầu ϕ=1 tại n=1000 vòng/phút 103

Hình 4.18: Biến thiên độ đậm đặc ϕ theo độ mở bướm ga của các nhiên liệu khác nhau tại giá trị tốc độ n=2200 vòng/phút 104

Hình 4.19: Biến thiên độ đậm đặc ϕ theo tốc độ động cơ của các nhiên liệu khác nhau với giá trị ϕ=1 tại n = 2200 vòng/phút 105

Hình 4.20: Đặc tính ngoài động cơ hai nhiên liệu biogas/diesel dựa trên khả năng cung cấp của bộ bộ hòa trộn 106

Hình 4.21: Đặc tính cục bộ ứng với nhiên liệu M6C4 (ϕ=1, bướm ga mở 87%) 107

Hình 4.22: Đặc tính cục bộ ứng với nhiên liệu M8C2 (ϕ=1, bướm ga mở 56%) 107

Hình 4.23: Sơ đồ dẫn động của các bánh răng Bánh răng 1,2: 24 răng; Bánh răng 3,4: 45 răng; Bánh răng 5: 48 răng 108

Hình 4.24: Bộ con đội quả văng 109

Hình 4.25: Khoan lỗ dẫn hướng chốt điều tốc trên trục cân bằng trên 109

Hình 4.26: Đế gắn bộ con đội quả văng lên trục cân bằng trên 110

Hình 4.27: Gắn bộ con đội quả văng lên chân đế 110

Hình 4.28:Vị trí cơ cấu điều tốc diesel và biogas bên trong động cơ 111

Hình 4.29: Đo kích kích thước của nắp máy 111

Hình 4.30: Kết quả đo kích thước nắp máy 112

Hình 4.31: Nắp máy mới có gắn các càng điều tốc 112

Hình 4.32: Các vị trí điều khiển trên nắp máy mới: 113

Hình 4.33: Sơ đồ tính toán điều tốc điều chỉnh van tiết lưu biogas dạng bướm 113

Hình 4.34: Đặc tính cân bằng điều tốc 117

Hình 4.35: Công suất động cơ theo độ mở bướm ga ở các tốc độ khác nhau (M6C4) 118

Hình 4.36: Hàn khung và các mặt xung quanh 119

Hình 4.37: Phay mặt lắp ghép với thân động cơ 119

Hình 4.38: Phay mặt lắp ghép bơm cao áp 119

Hình 4.39: Gắn các cơ cấu điều khiển của hai bộ điều tốc 120

Hình 4.40: Lắp đặt nắp máy lên động cơ 120

Hình 4.41: Cụm động cơ đã được chuyển đổi lắp đặt hoàn chỉnh 120

Hình 5.1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm 122

Hình 5.2: Thiết kế bệ máy di động lắp băng thử và động cơ 123

Hình 5.3: Cụm động cơ-băng thử lắp đặt cố định trên nền bê tông 124

Hình 5.4: Cụm động cơ-băng thử lắp đặt trên xe tải để có thể di động 124

Hình 5.5: Vít hạn chế lượng phun diesel tối thiểu 125

Hình 5.6: Băng thử thủy lực FROUDE DPX3 và cảm biến lực, cảm biến tốc độ 125

Hình 5.7: Card NI-6009 126

Hình 5.8: Bố trí các cảm biến và điều khiển 126

Hình 5.9: Hệ thống lọc H2S và CO2 127

Hình 5.10: Gas Data GFM 435 127

Hình 5.11: Đo suất tiêu hao nhiên liệu diesel 129

Hình 5.12: So sánh đường đặc tính ngoài động cơ 129

Hình 5.13: So sánh đặc tính ngoài của động cơ diesel và động cơ nhiên liệu kép sử dụng nhiên liệu biogas có thành phần CH4 thay đổi ở các chế độ tốc độ khác nhau 130

Hình 5.14: Ảnh hưởng của độ mở bướm ga đến đường đặc tính động cơ nhiên liệu kép (Biogas chứa 65% CH4) 131

Hình 5.15: Ảnh hưởng của độ mở bướm ga đến đường đặc tính động cơ nhiên liệu kép (Biogas chứa 91% CH4) 131

Hình 5.16: Ảnh hưởng của thành phần CH4 trong biogas đến suất tiêu hao nhiên liệu diesel của động cơ nhiên liệu kép (100% bướm ga) 132

Hình 5.17: Thay đổi hệ số ϕ bằng thực nghiệm 133

Hình 5.18: So sánh công suất cực đại (n=2000v/ph, s=30 độ, M7C3) 135

Hình 5.19: So sánh công suất mô phỏng và thực nghiệm (M8C2) 136

Hình 5.20: So sánh công suất mô phỏng và thực nghiệm (M7C3) 137

Hình 5.21: So sánh công suất mô phỏng và thực nghiệm (M6C4) 137

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch đã gây ô nhiễm nặng nề bầu khí quyển CO2, sản phẩm cháy của nhiên liệu hóa thạch là chất khí gây hiệu ứng nhà kính, thủ phạm chính làm tăng nhiệt độ mặt đất dẫn đến tình trạng biến đổi khí hậu và mực nước biển dâng, đe dọa cuộc sống của nhân loại Mặt khác nguồn nhiên liệu hóa thạch trong lòng đất có giới hạn Sự khai thác cường độ cao trong những thập niên gần đây

đã làm cho nguồn năng lượng này cạn kiệt nhanh chóng Sự gia tăng giá dầu mỏ trong thời gian gần đây đã phản ảnh thực trạng này Khả năng tìm thấy nguồn dầu mỏ lớn

có thể khai thác thương mại như trong quá khứ hầu như không còn hy vọng

Một câu hỏi đặt ra là khi nhiên liệu hóa thạch cạn kiệt thì loài người sẽ sử dụng nguồn năng lượng nào để thay thế Năng lượng hạt nhân từ lâu được xem là cứu cánh nhưng những thảm họa hạt nhân ở Chernobyl năm 1986 và Fukushima năm 2011 đã làm cho người ta đặt lại vấn đề Nước Đức đã tuyên bố từ bỏ hoàn toàn năng lượng hạt nhân vào năm 2022, nước Nhật cũng đang xem xét đóng cửa các nhà máy hạt nhân từ sau thảm họa kép động đất-sóng thần-hạt nhân… chỉ còn nguồn năng lượng tái tạo có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời là có thể đảm bảo duy trì nền văn minh nhân loại cho đến khi hệ Mặt trời biến mất!

Biogas là nguồn năng lượng tái tạo có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời nên việc

sử dụng nó không làm tăng nồng độ CO2 trong khí quyển Biogas đã và đang được phát triển mạnh từ các nước đang phát triển đến các nước phát triển Trong lĩnh vực động cơ đốt trong, hiện nay một số quốc gia trên thế giới đã sản xuất và thương mại hóa các động

cơ biogas chuyên dụng Tuy nhiên, các động cơ này thường có giá thành cao hơn rất nhiều so với động cơ sử dụng xăng dầu truyền thống Bên cạnh đó, nhiên liệu biogas sử dụng cho những động cơ này phải thỏa mãn một số điều kiện như thành phần nhiên liệu,

áp suất cung cấp… và chỉ chạy được bằng biogas, không chạy được bằng nhiên liệu lỏng

Mặc khác, những động cơ biogas đơn giản, cỡ nhỏ thì làm việc không tin cậy

và không phù hợp với nguồn biogas đa dạng Do những tồn tại trên đây nên động cơ biogas cho đến nay chưa được ứng dụng rộng rãi trong thực tế

Để thỏa mãn nhu cầu đa dạng của việc ứng dụng biogas trên động cơ đốt trong, giải pháp công nghệ chuyển đổi động cơ truyền thống sang sử dụng biogas cần thỏa mãn các điều kiện sau: mang tính vạn năng cao; khi chuyển đổi động cơ sang chạy bằng biogas, bản chất quá trình công tác và kết cấu của các hệ thống động cơ nguyên thủy không thay đổi, nghĩa là khi không chạy bằng biogas, động cơ có thể sử dụng lại xăng, dầu như trước khi chuyển đổi; các bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu cho động cơ sang chạy bằng biogas phải có độ tin cậy cao, dễ lắp đặt, vận hành, giá thành thấp, phù hợp với điều kiện sử dụng ở vùng nông thôn, trang trại

Vì vậy việc nghiên cứu một cách cơ bản, thiết kế một động cơ sử dụng biogas để chế tạo hoàn thiện cung cấp cho thị trường để người sử dụng có thể mua về và sử dụng được ngay với chi phí hợp lý và độ tin cậy của thiết bị cao là nhu cầu cấp thiết Do vậy

“Nghiên cứu thiết kế chế tạo động cơ sử dụng hai nhiên liệu biogas/diesel trên cơ

sở động cơ diesel một xi lanh tĩnh tại” là đề tài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Nghiên cứu thiết kế chuyển đổi động cơ diesel nguyên thủy thành động cơ hai nhiên liệu biogas-diesel mẫu, compact, có thể áp dụng được trong thực tiễn Động cơ này có thể chạy bằng biogas theo phương thức nhiên liệu kép, đánh lửa bằng tia phun mồi diesel; hoặc chạy bằng diesel như thiết kế truyền thống Công nghệ chuyển đổi động cơ này có thể được áp dụng trên nhiều chủng loại động cơ khác để tạo ra sản phẩm công nghiệp mới, góp phần tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và bảo vệ môi trường

3 GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU

Đề tài tập trung nghiên cứu nâng cấp thiết kế động cơ diesel Vikyno EV2600-NB thành động cơ hai nhiên liệu biogas/diesel với các nội dung chính:

- Nghiên cứu quá trình cháy hai nhiên liệu biogas/diesel;

- Nghiên cứu chế tạo bộ tạo hỗn hợp biogas/không khí;

- Tính toán bộ điều tốc bổ sung để điều chỉnh bộ tạo hỗn hợp một cách tự động

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết mô hình hóa và thực nghiệm để xác định các thông số tối ưu của hệ thống thiết kế bổ sung

 Nghiên cứu lý thuyết và mô hình hóa: nghiên cứu dòng chảy rối của hỗn hợp

biogas-không khí qua bộ tạo hỗn hợp và trong buồng cháy động cơ để xác lập đường đặc tính bộ tạo hỗn hợp; nghiên cứu mô hình hóa quá trình cháy hỗn hợp biogas-không khí được đánh lửa bằng tia phun mồi để dự đoán tính năng kinh tế-kỹ thuật của động

cơ ứng với các chế độ vận hành và thành phần nhiên liệu khác nhau Kết quả mô hình hóa giúp ta giảm bớt chi phí thực nghiệm

 Nghiên cứu thực nghiệm: Đo đạc các tính năng động cơ trên băng thử công

suất khi chạy bằng diesel và khi chạy bằng biogas đánh lửa bằng tia phun mồi; nghiên cứu thực nghiệm đường đặc tính điều tốc biogas; so sánh kết quả cho bởi mô hình hóa và thực nghiệm

Trên cơ sở kết quả nghiên cứu lý thuyết, mô hình hóa và thực nghiệm chúng

ta nghiên cứu nâng cấp thiết kế động cơ diesel Vikyno EV2600-NB thành động cơ compact hai nhiên liệu biogas/diesel

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN

 Chương 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

 Chương 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ DIESEL

THÀNH ĐỘNG CƠ HAI NHIÊN LIỆU BIOGAS/DIESEL

 Chương 3: MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH CHÁY NHIÊN LIỆU KÉP BIOGAS/DIESEL

 Chương 4: THIẾT KẾ CHẾ TẠO ĐỘNG CƠ HAI NHIÊN LIỆU BIOGAS/DIESEL VIKYNO EV2600-NB-BIO

 Chương 5: THỬ NGHIỆM TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ

 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

7 NHỮNG KẾT QUẢ MỚI CỦA LUẬN ÁN

- Nghiên cứu thiết kế chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu biogas/diesel Động cơ có thể sử dụng lại diesel khi cần thiết Phương án này rất phù hợp đối với những nơi có nguồn cung cấp biogas hạn chế;

- Mô hình hóa bộ tạo hỗn hợp cho động cơ hai nhiên liệu biogas/diesel Kết quả mô hình cho thấy mức độ thay đổi của độ đậm đặc hỗn hợp theo tốc độ động cơ hay theo thành phần biogas rất bé, không ảnh hưởng đến quá trình cháy của động cơ;

- Khẳng định khả năng tính toán mô phỏng quá trình cháy nhiên liệu kép biogas/diesel dựa trên nền phần mềm động lực học lưu chất FLUENT với mô

hình rối k-ε tiêu chuẩn, mô hình cháy Partially Premixed, mô hình tia phun

mồi có thể chọn gần đúng theo dạng hình trụ với năng lượng đánh lửa bằng năng lượng do tia phun diesel cung cấp

- Công suất động cơ nhiên liệu kép có thể lớn hơn công suất của động cơ này khi chạy hoàn toàn bằng diesel Do đó ở chế độ tốc độ định mức của động cơ nhiên liệu kép, có thể sử dụng biogas nghèo, không cần lọc CO2, mà vẫn đảm bảo được công suất cực đại của động cơ nguyên thủy trước khi chuyển đổi;

- Góc phun sớm tăng khi hàm lượng CH4 trong nhiên liệu giảm hay khi tốc độ động cơ tăng Đối với biogas giàu, công chỉ thị chu trình của động cơ giảm theo thành phần CH4 trong nhiên liệu;

- Thiết kế chuyển đổi động cơ diesel VIKYNO EV2600-NB thành động cơ lưỡng nhiên liệu biogas-diesel với bộ điều tốc biogas được lắp bên trong động cơ và nắp máy được cải tạo phù hợp

Chương 1

NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

1.1 VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG VÀ MÔI TRƯỜNG

1.1.1 Nhiên liệu hóa thạch và sự bùng nổ khí hậu

Sự gia tăng nồng độ các chất khí gây hiệu ứng nhà kính trong môi trường là nguyên nhân làm gia tăng nhiệt độ bầu

khí quyển gây ra hiện tượng ấm dần lên

toàn cầu Không có ai còn nghi ngờ thủ

phạm chính là CO2, chất khí gây hiệu ứng

nhà kính từ sản phẩm cháy của nhiên liệu

hóa thạch [25], [38], [70] Ngay từ khi

quả đất hình thành, bầu khí quyển có

chứa một hàm lượng C cố định Sau hàng

tỷ năm biến đổi, một bộ phận C bị chôn

lấp trong lòng đất dưới dạng nhiên liệu

hóa thạch Hàm lượng C trong bầu khí

quyển giảm xuống mức của thời kỳ tiền

công nghiệp Khi loài người khai thác

nhiên liệu hóa thạch ra sử dụng thì C

được giải phóng lại bầu khí quyển dưới dạng CO2 Do CO2 không quay lại vào lòng đất được nên hàm lượng C trong bầu khí quyển gia tăng Về mặt lý thuyết, nếu toàn

bộ nhiên liệu hóa thạch được khai thác ra sử dụng hết thì nồng độ C trong bầu khí quyển sẽ đạt ở mức cao như khi quả đất được hình thành

Thống kê nhiệt độ môi trường trong 1000 năm trở lại đây cho thấy nhiệt độ bầu khí quyển gần như ổn định trong một thời gian dài trước thời kỳ công nghiệp bắt đầu phát triển [38], [81] Sau đó, nhiệt độ khí quyển tăng nhanh cùng với sự gia tăng nồng

độ CO2 có mặt trong không khí Hình 1.2 và Hình 1.3 cho thấy, trong 1000 năm nhiệt độ

Hình 1.1: Con người khai thác nhiên liệu hóa thạch

khí quyển đã tăng 0,74 độ và nếu xét riêng 50 năm trở lại đây, nhiệt độ khí quyển đã tăng 0,65 độ Với tốc độ tăng như hiện nay, cứ mỗi thế kỷ, bầu khí quyển sẽ nóng lên 2,5 độ

Hình 1.2: Biến thiên nhiệt độ khí quyển và

nồng độ CO 2 trong 1000 năm gần đây

Hình 1.3: Biến thiên nhiệt độ khí quyển và nồng độ CO 2 trong 100 năm gần đây

Các mô hình tính toán nhiệt độ bầu khí quyển (Hình 1.4) cho thấy trước năm

1945, biến thiên nhiệt độ khí quyển là do thay đổi bức xạ mặt trời Từ năm 1945 trở lại đây, sự thay đổi nhiệt độ bầu khí quyển là do hoạt động của con người Nếu không

có những chất khí gây hiệu ứng nhà kính do hoạt động của con người thải ra môi trường thì chúng ta đang ở thời kỳ nhiệt độ bầu khí quyển giảm [38], [70], [80]

Hình 1.4: Biến thiên nhiệt độ trung bình thực tế trên mặt đất a: Mô hình có xem xét yếu tố do hoạt động của con người b: Mô hình không xem xét yếu tố do hoạt động của con người

Khi nhiệt độ khí quyển tăng vượt quá một giá trị ngưỡng thì nó sẽ tiếp tục tăng nhanh đến khi đạt giá trị cực đại Hiện tượng này gọi là bùng nổ khí hậu Do băng tuyết trên mặt đất tan chảy khi nhiệt độ tăng cao, lượng khí CH4 bị lớp băng này che phủ sẽ

Trung bình hằng năm Trung bình 5 năm

được giải phóng vào bầu khí quyển Hiệu ứng nhà kính của khí CH4 gấp 23 lần khí carbonic Mặt khác,

khi băng ở các cực tan

giữa bầu khí quyển và

đại dương bình thường hấp thụ một khối lượng lớn các chất khí gây hiệu ứng nhà kính vào nước biển bị ngưng trệ Do nồng độ các chất khí gây hiệu ứng nhà kính trong bầu khí quyển tăng cao nên nhiệt độ môi trường tăng Điều này lại làm cho băng tuyết tan chảy nhanh hơn Cứ thế, nhiệt độ khí quyển tăng nhanh chóng, đạt giá trị cực đại [61]

Các yếu tố làm tăng mực nước biển:

- Giãn nở nhiệt: 0,2÷0,4m/C

- Băng tuyết trên núi cao: 0,15÷0,37m

- Băng ở Greenland: 7,3m

- Băng ở phía Tây các cực: 5m

- Băng ở phía Đông các cực: 52m

Hình 1.6: Sự gia tăng mực nước biển theo các kịch bản khác nhau

và các yếu tố làm tăng mực nước biển

Nhiệt độ bầu khí quyển tăng sẽ làm mực nước biển dâng cao [51], [79] Khi nhiệt độ khí quyển tăng 1 độ, mực nước biển dâng lên 0,2÷0,4m Khi toàn bộ băng tuyết trên trái đất tan chảy hết, mực nước biển có thể dâng lên đến 65m Tính toán bằng mô hình theo các kịch bản phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính khác nhau cho thấy vào cuối thể kỷ 21, mực nước biển có thể dâng lên từ 20÷60cm Đến năm

3000, khả năng mực nước biển dâng lên 2÷6m là rất cao

Việt Nam là một trong năm quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề nhất của biến đổi khí hậu Khi mực nước

biển dâng lên 1m, một bộ

phận đồng bằng sông

Hồng và châu thổ sông

Cửu Long bị ngập; Khi

mực nước biển dâng lên

2m, phần lớn vùng đất này

bị ngập nước và khi mực

nước biển dâng lên 3m thì

hầu như toàn bộ vùng

đồng bằng sông Hồng và vùng châu thổ Sông Cửu Long, kể cả Thành phố Hồ Chí Minh, nằm dưới mặt nước biển [2]

Ngoài ra, nhiệt độ bầu khí quyển gia tăng cũng làm mở rộng vùng sa mạc, đất đai trở nên cằn cỗi, ảnh hưởng đến canh tác lương thực

Hình 1.8: Nồng độ CO 2 trong bầu khí quyển theo các kịch bản phát thải khác nhau

Nếu ngay từ bây giờ mà chúng ta cắt giảm phát thải CO2 mà cho đến năm

2050, mức độ phát thải bằng năm 1990 thì nồng độ CO2 trong bầu không khí sẽ giữ

ổn định khoảng 500ppm Nếu chúng ta tiếp tục phát thải như hiện nay đến khi toàn

bộ nhiên liệu hóa thạch trong lòng đất được khai thác ra sử dụng hết thì nồng độ CO2 trong bầu khí quyển sẽ đạt ổn định ở mức 1100ppm Khi đó hiện tượng bùng nổ khí hậu sẽ diễn ra, đe dọa cuộc sống của mọi sinh vật trên trái đất [38], [70]

Hình 1.7: Bản đồ ngập mặn do nước biển dâng ở Việt Nam

Nhiều hội nghị thượng đỉnh về môi trường và biến đổi khí hậu trong những năm gần đây như Hội nghị Copenhagen năm 2011, hội nghị Rio năm 2012 đã cố gắng tìm kiếm một cam kết quốc tế về cắt giảm phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính thay thế cho Nghị định thư Kyoto hết hiệu lực vào cuối năm 2012 nhưng tất cả đều thất bại Các quốc gia phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính chủ yếu đều không cam kết cắt giảm, lý do là vì điều này sẽ làm chậm mức tăng trưởng kinh tế của họ [37]

1.1.2 Nhiên liệu thay thế có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời

Việc nghiên cứu về năng lượng tái tạo có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời đã được tiến hành từ những năm 1870, khi bắt đầu có những mối quan tâm về sự cạn kiệt của than đá dẫn đến các thí nghiệm về năng lượng mặt trời [29] Tầm quan trọng của năng lượng mặt trời đã được công nhận trong một bài báo khoa học Mỹ 1911:

“Trong một tương lai xa, khi nhiên liệu tự nhiên cạn kiệt, năng lượng mặt trời sẽ là nguồn năng lượng duy nhất đảm bảo sự tồn tại của nhân loại” [42] Năng lượng tái tạo ngày càng khẳng định được vị thế và tầm quan trọng so với các nguồn năng lượng truyền thống như than đá, khí đốt, dầu mỏ và hạt nhân Thuyết về đỉnh dầu đã được xuất bản vào năm 1956 [40] Trong những năm 1970, các nhà môi trường thúc đẩy

sự phát triển của năng lượng tái tạo cho cả hai mục đích là đối phó với sự cạn kiệt dầu mỏ và đồng thời cũng giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ Các trang trại pin năng lượng mặt trời đã được xây dựng với chi phí rất đắt đỏ [73] Theo số liệu của Tổ chức Hợp tác và phát triển kinh tế (OECD), sự phân bổ năng lượng tái tạo trong tổng năng lượng của các nước trong khối tăng từ 4,8% năm 1971 đến 7,6% năm 2010 Các nước ngoài OECD có tỉ lệ sử dụng năng lượng tái tạo cao hơn là 13,1% năm 2010 [57]

Mỗi một quốc gia đều định hướng và lựa chọn cho mình xu hướng phát triển năng lượng tái tạo riêng, dựa trên những điều kiện về chính sách, kinh tế, môi trường

và xã hội Dưới đây là những xu hướng chính tại nhiều quốc gia trên thế giới:

Năng lượng gió: Xu hướng này bao gồm việc mở rộng qui mô phát triển năng

lượng gió ngoài khơi, mạng lưới tua-bin và các dự án mới về năng lượng gió tại nhiều vùng địa lý đa dạng khắp thế giới [63]

Năng lượng sinh khối: Các nhà máy điện sinh khối đã có mặt tại hơn 50 quốc

gia trên thế giới, cung cấp ngày càng nhiều nguồn điện năng cho con người Thị trường biogas lớn nhất là châu Âu, trong đó Đức chiếm 60% tổng năng lượng biogas tiệu thụ năm 2010 Với nhiên liệu sinh học lỏng, Bắc Mỹ là khu vực tiêu thụ ethanol cao nhất năm 2011, theo sau là Mỹ La Tinh Châu Âu tiêu thụ diesel sinh học là cao nhất [24], [85]

Điện mặt trời: Ngành công nghiệp điện mặt trời đã ứng phó với sự tụt giá và

điều kiện thay đổi của thị trường bằng cách củng cố, mở rộng qui mô và chuyển hướng sang việc phát triển các dự án Trong những năm gần đây, các tấm pin màng mỏng đã tăng nhanh về thị phần, đạt khoảng 25% Số lượng các nhà máy pin mặt trời, còn gọi là các nhà máy “vạn năng” có công suất 200kW và lớn hơn, hiện chiếm tới 25% tổng công suất điện mặt trời [22]

Năng lượng địa nhiệt: Các nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng địa nhiệt

đã xuất hiện tại 21 quốc gia, và nhiều nhà máy mới vẫn tiếp tục được đưa vào hoạt động hàng năm [20], [83]

Công nghệ tập trung nhiệt năng mặt trời (CSP): CSP đang nổi lên như một

nguồn năng lượng mới quan trọng trong suốt giai đoạn từ 2006 đến 2010 sau quá trình phát triển trì trệ từ hai thập kỉ trước Đầu năm 2010, 0.7 GW của CSP đã đi vào hoạt động, tất cả đều được thực hiện tại Tây Nam Hoa Kì và Tây Ban Nha, cùng với các hoạt động xây dựng và qui hoạch đang diễn ra tại nhiều quốc gia khác [82]

Trong các nguồn năng lượng thay thế, biogas là nguồn năng lượng tái sinh tiềm năng và có nguồn gốc từ mặt trời Việc sử dụng năng lượng này không làm tăng nồng độ các chất khí gây hiệu ứng nhà kính trong bầu khí quyển

1.2 NHIÊN LIỆU BIOGAS SỬ DỤNG CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

1.2.1 Tính chất biogas

Biogas là sản phẩm khí sinh ra từ quá trình phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu

cơ Thành phần chủ yếu của biogas là khí mêtan (CH4) và khí cacbonic (CO2) Chất thải hữu cơ từ các nguồn khác nhau đều có thể sử dụng để sản xuất biogas Thành

phần và tính chất của biogas thay đổi tùy vào loại nguyên liệu, hệ thống phân hủy, nhiệt độ, thời gian lưu, v.v Bảng 1.1 giới thiệu giá trị trung bình các thành phần hiện diện trong biogas

Bảng 1.1: Thành phần trung bình các thành phần của biogas [74]

Hình 1.9: Sơ đồ trung hòa Carbon của nhiên liệu biogas

Biogas là nhiên liệu trung hòa carbon Thực vật hấp thụ khí CO2 trong bầu khí quyển dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời để biến C dạng khí thành cellulos Thực vật nuôi sống động vật Chất thải của quá trình sản xuất nông nghiệp và lương thực thực phẩm được sử dụng để sản xuất biogas Quá trình cháy khi sử dụng biogas để làm nhiên liệu cũng sinh ra CO2 nhưng lượng CO2 này được thực vật thế hệ sau hấp thụ Chu trình carbon như vậy được khép kín và không làm gia tăng nồng độ của

chúng trong bầu khí quyển Năng lượng nhận được trong quá trình cháy của biogas

là năng lượng gián tiếp từ mặt trời

Bảng 1.2: Sản lượng CH 4 theo lý thuyết [74]

STT Nguyên liệu Lít Gas / kg NL CH 4 [%] CO 2 [%]

Bảng 1.3: Sản lượng CH 4 với nguồn nguyên liệu khác nhau [74]

STT Nguồn nguyên liệu CH 4 [%] Sản lượng biogas [m³/t]

1.2.2 Yêu cầu chất lượng biogas để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong

Những tạp chất chính trong biogas là CO2, H2S, H2O, hạt rắn và Siloxane Giá thành đầu tư cho hệ thống lọc cũng như chi phí vận hành phụ thuộc vào yêu cầu chất lượng lọc biogas

Tất cả các hệ thống sử dụng biogas đều phải được lọc hạt rắn và bụi bằng các

bộ lọc thông thường hoặc bộ lọc kiểu cyclon Các hạt rắn có thể được lọc bằng bộ lọc thông thường, tuy nhiên bụi trong biogas phải được lọc bằng bộ lọc cyclon Bộ lọc kích thước từ 2 μm đến 5 μm được coi là thích hợp [59]

Thành phần H2S cao là một vấn đề cho động cơ đốt trong Trong quá trình cháy, H2S sẽ phản ứng và hình thành SO2 và H2O SO2 sau đó phản ứng với H2O tạo thành H2SO3 SO2 có thể cũng phản ứng với O2 tạo thành SO3 và sau đó với H2O thành H2SO4 Các axit này làm cho các chi tiết của động cơ bị ăn mòn [72] Sự hư hại này bắt đầu xuất hiện khi thành phần H2S đạt tới 100 ppm [77] Sự xuống cấp nhanh chóng của dầu bôi trơn và mài mòn động cơ được xác định là do axit hình thành [48] Đối với các hệ thống Đồng sản xuất năng lượng (CHP), khí thải có tính axit ngăn cản truyền nhiệt do phần ăn mòn và là nguyên nhân làm tăng áp suất khí thải [46] Làm

hư hỏng hệ thống xúc tác (nếu có) là ảnh hưởng khác của H2S Như vậy H2S cần phải được loại bỏ để tránh làm hư hỏng thiết bị Đối với động cơ đốt trong, thành phần H2S trong biogas yêu cầu nằm trong khoảng 100-500 ppm [78] Tuy nhiên, để đảm bảo không có vấn đề gì xảy ra đối với động cơ, thành phần H2S trong biogas nên nhỏ hơn 20 ppm [78]

Thành phần CO2 trong biogas sử dụng cho động cơ đốt trong không cần thiết phải loại bỏ Tuy nhiên với biogas có thành phần CO2 từ 30% đến 50%, nếu loại bỏ CO2 sẽ làm tăng nhiệt trị của biogas [78]

Siloxane (C2H6OSi) chủ yếu có nguồn gốc từ Silicon có chứa các hợp chất được sử dụng rộng rãi trong nhiều loại vật liệu công nghiệp hoặc các sản phẩm tiêu dùng như dầu gội đầu, chất tẩy rửa và mỹ phẩm Trong quá trình đốt biogas, siloxane chuyển đổi sang Silicon Dioxide (SiO2) có tính chất vật lý tương tự như thủy tinh Siloxane có thể hình thành một lớp dày trong buồng cháy động cơ, cổ thải, đường thải của bộ tăng áp và trong bình tiêu âm Sự ăn mòn đỉnh và chân supáp động cơ được giải thích rõ khi phân tích dầu bôi trơn cho thấy sự gia tăng lượng hạt Silica [54] Sự hiện diện của Siloxane hoặc Silicon Dioxide trong dầu bôi trơn là nguyên nhân tăng tỉ lệ mài mòn các bề mặt tiếp xúc như là các ổ đỡ và các khớp trượt

Amoniac (NH3) hình thành trong quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ giàu đạm Thành phần NH3 trong biogas nói chung là rất thấp, thường nhỏ hơn 0,1 mg/m3 ở điều kiện tiêu chuẩn [59] Khi thành phần NH3 trong biogas cao sẽ là vấn đề đối với động cơ khí vì quá trình cháy NH3 sẽ hình thành NOx NH3 phản ứng với H2O

thành NH4OH sẽ ăn mòn các kim loại như nhôm và đồng Vì vậy, các ổ đỡ rất dễ bị

ăn mòn từ amoniac Tuy nhiên, hầu hết các động cơ có thể hoạt động tốt với thành phần NH3 nhỏ hơn 100mg/m3 (đktc) [59]

Hình 1.10: Yêu cầu lọc biogas đối với các phương tiện sử dụng khác nhau

Vì vậy tùy thuộc vào hàm lượng cho phép của các tạp chất trong biogas đối với thiết bị sử dụng, chúng ta có phương án lọc khác nhau Đối với biogas dùng làm nhiên liệu cho lò hơi, chúng ta chỉ cần ngưng tụ hơi nước và lọc tạp chất cơ học Đối với biogas dùng làm nhiên liệu chạy động cơ đốt trong để phát điện, ngoài hai tạp chất trên, chúng ta phải lọc H2S Đối với biogas sử dụng trong pin nhiên liệu hay turbine khí chúng ta phải khử thêm siloxane

1.2.3 Công nghệ lọc tạp chất trong biogas tại Việt Nam [4]

Dựa theo báo cáo kết quả nghiên cứu Bộ lọc biogas mới nhất (năm 2009) của

Dự án “Chương trình khí sinh học cho ngành chăn nuôi Việt Nam” do Chính phủ Hà Lan tài trợ cho thấy các nghiên cứu về lọc xử lý biogas ở Việt Nam mới chỉ là bước đầu, số lượng các nghiên cứu còn ít, chỉ có duy nhất Đại học Đà Nẵng có các số liệu công bố trên các tạp chí khoa học trong nước Các đề tài nghiên cứu chủ yếu trong giai đoạn thí nghiệm, sản xuất thử nghiệm, rất ít đề tài nghiên cứu chuyển thành nghiên cứu sản xuất hàng loạt [3]

Lọc hấp phụ H 2 S Lọc H 2 S bằng xúc tác vi sinh

Hình 1.11: Các phương án lọc H 2 S

Hình 1.12: Hiệu quả lọc hấp phụ H 2 S bằng các vật liệu lọc khác nhau

Đối với biogas cung cấp cho các trạm phát điện công suất bé, chúng ta có thể

sử dụng phương pháp lọc H2S bằng hấp phụ với vật liệu lọc là các chất chứa oxide sắt (Hình 1.11) Đối với biogas cung cấp cho những trạm phát điện công suất lớn, việc lọc H2S bằng xúc tác vi sinh tỏ ra hiệu quả hơn

Trong các loại vật liệu lọc hấp phụ H2S thông thường như phoi sắt, diatomite

và bentonite thì bentonite có hiệu quả lọc H2S tốt nhất (Hình 1.12) Sau thời gian sử dụng, vật liệu hấp phụ có thể được tái sinh bằng cách phơi chúng ngoài không khí

0 10 20 30 40

50 60 70 80

90 100

1.2.4 Chỉ số mêtan của biogas

Chỉ số mêtan (MN) cho biết khả năng chống kích nổ của nhiên liệu khí khi sử dụng trong động cơ đốt trong, tương tự như chỉ số octane (MON) của xăng Vì thang

đo của chỉ số octane không phù hợp cho cho nhiên liệu khí (khí thiên nhiên, biogas,…)

do giá trị chỉ số octane thường vượt quá giá trị 100

Để thể hiện đặc thù về khả năng chống kích nổ của các loại nhiên liệu khí, người ta đưa ra khái niệm mới là chỉ số mêtan Chỉ số này được tổ chức tiêu chuẩn quốc tế ISO đề xuất và phát triển Theo tiêu chuẩn này khả năng chống kích nổ của nhiên liệu khí được xác định dựa vào hỗn hợp quy chiếu là mêtan tinh khiết (NM=100) và hydro (NM=0) Nếu trong thành phần khí nhiên liệu có lẫn nhiều hydrocarbon nặng thì khả năng chống kích nổ hay chỉ số mêtan (NM) sẽ giảm Với nhiên liệu khí có chứa thành phần CO2, khí có khả năng chống kích nổ cao thì chỉ số mêtan của loại nhiên liệu khí này sẽ tăng

Với biogas có thành phần 60% thể tích mêtan và thành 40% thể tích là cacbonic thì chỉ số MN 140 và tỉ số nén mà tại đó bắt đầu xuất hiện kích nổ nhẹ là17,5

  [49]

1.3 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

1.3.1 Nghiên cứu và ứng dụng biogas trên thế giới

Biogas đã và đang được phát triển mạnh từ các nước đang phát triển đến các nước phát triển Ở châu Âu, có hàng ngàn các điểm lắp đặt hệ thống xử lý chất hữu

cơ thành biogas và các quốc gia đi đầu như Đức, Áo, Đan Mạch và Thụy Điển có số lượng lớn các hệ thống biogas hiện đại Trong năm 2008, việc sản xuất biogas ở châu

Âu đã vượt 7,5 triệu tấn dầu qui đổi Đức là nước dẫn đầu ở châu Âu với 4.500 nhà máy biogas và 1.650MW trạm phát điện trong năm 2009 và vẫn đang tiếp tục mở rộng quy mô [1], [74], [78]

Hầu hết các hệ thống biogas ở châu Á đều sử dụng công nghệ đơn giản Tại Trung Quốc, có khoảng 18 triệu hầm biogas quy mô hộ gia đình ở khu vực nông thôn đang vận hành vào năm 2006, và tiềm năng biogas toàn bộ Trung Quốc dự đoán là

145 tỉ mét khối trong khi ở Ấn Độ chỉ xấp xỉ 5 triệu hầm biogas quy mô hộ gia đình đang được vận hành Tại Ấn Độ, chương trình năng lượng nông thôn được triển khai

từ những năm 90 của thế kỷ XX, hàng triệu bể khí mêtan cung cấp nhiên liệu thắp sáng, nấu bếp và chạy máy phát điện Ở các nước khác như Nepal và cũng có số lượng đáng kể hầm biogas quy mô gia đình Chính phủ Thái Lan đặt mục tiêu đến năm

2022, năng lượng tái tạo chiếm khoảng 14% trong tổng lượng năng lượng tiêu thụ Thái Lan có khả năng sản xuất trên một tỷ mét khối biogas mỗi năm từ nông nghiệp, tuy nhiên năng lực sản xuất hiện tại mới đạt 36% khả năng này [41], [45], [47]

1.3.1.1 Lịch sử nghiên cứu phát triển

Trở lại nguồn gốc biogas từ người Ba Tư, họ đã khám phá rằng vật chất hữu

cơ như rau thối rữa sinh ra một chất khí dễ cháy Marco Polo đã đề cập đến việc sử dụng các bể chứa nước thải bao kín ở Trung Quốc Điều này được cho là khoảng 2.000-3.000 năm trước ở Trung Quốc cổ đại Nhà máy xử lý nước thải đầu tiên được xây dựng ở Bombay vào năm 1859; ý tưởng đã được đưa đến Vương Quốc Anh vào năm 1895 khi sản xuất khí đốt từ gỗ và than sử dụng để thắp sáng đèn đường [62]

Việc sử dụng biogas cho động cơ đốt trong từ thời Chiến tranh thế giới lần thứ

2 khi hàng ngàn xe chạy bằng khí nước thải ở châu Âu Trong những năm 1942-1944, các xe tải thu gom rác sử dụng động cơ diesel được vận hành sử dụng khí cống rãnh được lọc và nén ở Zurich, Thụy sĩ [68] Khoảng năm 1955, tầm quan trọng của biogas giảm đáng kể vì biogas không còn lợi nhuận nữa do sự dư thừa dầu Giá của dầu nhiên liệu rất thấp và hầu như các nhà máy biogas dừng hoạt động [27] Trong những năm 1980, sau cuộc khủng hoảng về năng lượng, biogas trở thành quan trọng trở lại trong việc động cơ đốt trong sản xuất điện

Năm 1981, một nỗ lực đã được thực hiện để sử dụng biogas cho động cơ diesel chuyển sang đánh lửa cưỡng bức bởi D J Hickson [75] Ông ta cho rằng công suất động cơ biogas giảm 35% khi so sánh với diesel và 40% so sánh với nhiên liệu xăng Cũng trong năm đó, các nghiên cứu khác cũng được thực hiện bởi S Neyeloff và W

W Cunkel Họ đã sử dụng động cơ CFR và đã chạy nó với biogas với các tỉ số nén khác nhau Họ đã đạt tới tỉ số nén 15:1 cho giải pháp tối ưu [56] Nhiệt trị thấp, thành

phần ăn mòn hóa học và khó khăn trong vận chuyển là những thách thức chính của biogas Năm 1983, R.H Thring kết luận rằng biogas chỉ thích hợp cho nơi gần chỗ sản xuất ra nó và ông ta đề nghị chuyển đổi nhiên liệu khí như biogas hoặc khí thiên nhiên thành nhiên liệu lỏng như cồn hoặc xăng [75]

Năm 1985, Jenbacher Werke AG giới thiệu một nhà máy sản xuất điện sử dụng động cơ đốt cháy khí biogas hỗn hợp nghèo [86] Họ đã có thể điều khiển tỉ lệ không khí nhiên liệu để đưa nhiều nhiên liệu vào xi lanh và phải cải tạo nắp máy để cho van nạp lớn hơn A.G.Wunsche đã không định lượng thành phần khí nhưng đã thực nghiệm lượng mêtan thấp hơn so với lượng họ đã sử dụng làm nhiên liệu cho động

cơ Sau đó để tránh kích nổ, họ sử dụng cảm biến kích nổ Tuy nhiên, công suất đầu

ra thấp vẫn còn là vấn đề chưa giải quyết được

Caterpillar nhà sản xuất động cơ khác đã cố gắng vận hành động cơ đánh lửa cưỡng bức với khí bãi rác năm 1987 [48] Họ đã phát triển động cơ tại trại để giải quyết các vấn đề biogas Sau đó động cơ đã chạy trên một bãi chôn lấp thực sự Báo cáo của N.C Macari cho thấy sự mài mòn quá nhiều sau 400 giờ và như vậy là tuổi thọ của dầu bôi trơn giảm

Một nghiên cứu khác trên các xe hơi của Volkswagen đã được thực hiện ở Brazil để so sánh hiệu năng của nhiên liệu biogas với cồn cho các xe hơi vào năm

1992 Thời điểm đánh lửa, sự phân phối hỗn hợp và khí thải đã được nghiên cứu và các thông số khác nhau như tốc độ xe tối đa, khả năng tăng tốc và tốc độ động cơ tối

đa đều được xét đến [30]

Trong khi việc chuyển đổi động cơ đánh lửa cưỡng bước sang sử dụng biogas

là dễ dàng hơn thì động cơ hai nhiên liệu cho thấy một số ưu điểm Sau thập niên 90, động cơ diesel được chuyển đổi thành động cơ hai nhiên liệu biogas/diesel [26], [21]

V Deri và G Mancini đã chuyển đổi một động cơ diesel sang hai nhiên liệu và đạt được quá trình cháy hỗn hợp nghèo ổn định hơn bởi vì việc sử dụng diesel phun mồi

để đánh lửa hỗn hợp Tuy nhiên việc điều khiển độc lập của hỗn hợp không khí-gas

và nhiên liệu phun mồi là rất phức tạp [26]

Sự quan tâm nhiều hơn vào việc sử dụng biogas cho động cơ đốt trong đòi hỏi nghiên cứu chi tiết hơn về quá trình cháy Năm 1992 G A Karim và I Wierzba từ đại học Calgary đã thực hiện một nghiên cứu có giá trị về các đặc tính nhiệt động lực

và động lực của quá trình cháy mêtan-không khí có sự hiện diện của CO2 [44] G A Karim tiếp tục xuất bản nhiều bài báo hơn liên quan đến hiện tượng cháy biogas trong động cơ đốt trong [65; 66] Để nâng cao các giới hạn cháy của biogas như là tốc độ cháy thấp và giới hạn khả năng cháy, K Tanoue và các cộng sự đã nghiên cứu việc thêm hydro vào hỗn hợp mêtan nghèo [71] Ý tưởng của việc thêm hydro vào khí thiên nhiên đã được nghiên cứu trước đó để nâng cao khả năng cháy của khí thiên nhiên trong động cơ đốt trong [65]

Sau khi các nghiên cứu chi tiết và quá trình cháy biogas đã được sáng tỏ trong động cơ đốt trong bởi các nhà khoa học, đó là nhiệm vụ của các kỹ sư để tìm ra một giải pháp để mở rộng các giới hạn G P Mueller báo cáo rằng ở Tập đoàn Caterpillar,

họ đã phát triển thành công một động cơ SI sử dụng khí bãi chôn lấp mà không mất công suất [54] Họ đã có thể đạt được cùng công suất nhưng hao phí nhiên liệu tăng 4% Khái niệm buồng cháy phụ đã cải thiện việc đốt cháy biogas trong động cơ SI đã được nghiên cứu chi tiết bởi A Roubaud và D Favrat vào năm 2005 [64] Họ cho thấy rằng có thể đạt được hiệu suất và công suất cao hơn với nhiên liệu biogas so với động cơ sử dụng khí thiên nhiên trong khi khí thải vẫn đảm bảo ở mức thấp

Ngoài John K S Wong đã nghiên cứu kết quả của khí thải động cơ biogas [84], không ai có những nghiên cứu quan trọng được tiến hành cho đến năm 1998 khi

J Huang và R J Crookers tiến hành thiết lập và đo ô nhiễm cho các thành phần biogas khác nhau trên một động cơ khảo sát [39]

Nghiên cứu sau đó đã được thực hiện nhắm đến các ảnh hưởng của thành phần biogas khác nhau trên động cơ [55] và [60]

1.3.1.2 Các biện pháp tối ưu hóa động cơ để sử dụng biogas

Động cơ đốt trong kiểu piston là công nghệ phổ biến nhất để sản xuất năng lượng từ nguồn biogas Động cơ piston nhiên liệu khí đang được hoàn thiện công

nghệ Các nhà sản xuất lớn trên thế giới đang cung cấp và hỗ trợ cơ sở hạ tầng hiệu quả Công nghệ này đòi hỏi ít khắc khe hơn với tạp chất của biogas Động cơ biogas

đã đạt tới 64.000 giờ làm việc trước kỳ đại tu [26] Một số công nghệ khác như là động cơ Stirling, pin nhiên liệu và chu trình Rankin hữu cơ vận hành ở hiệu suất tương đương và chịu được các tạp chất biogas nhưng chúng bị giới hạn ở phòng thí nghiệm vì giá thành quá cao

Ngày nay, động cơ biogas đã đạt được nhiều thành công, tuy nhiên số bài báo công bố là không lớn Số lượng lớn các nhà máy sử dụng biogas cho động cơ đốt trong đã được vận hành vài năm, tạo cơ hội để đánh giá độ tin cậy, hao mòn chi tiết động cơ và hư hỏng sau một thời gian hoạt động thực tế Ngoài ra nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm là cần thiết để hiểu chính xác cơ chế quá trình cháy theo thành phần biogas thực tế, không chỉ đơn giản là hỗn hợp CH4 và CO2

Với những gì đã đề cập cho thấy biogas là một nhiên liệu hứa hẹn, các biện pháp đặc biệt phải được thực hiện để sử dụng loại nhiên liệu này cho động cơ đạt được hiệu quả kinh tế hơn Sau đây là tổng hợp một số tiến bộ và giải pháp giúp tăng hiệu quả sử dụng động cơ biogas đã công bố: [62]

- Với tốc độ cháy thấp và chỉ số mêtan cao, tăng tỉ số nén và góc đánh lửa sớm

là cách nhiều tiềm năng nhất Để đạt được hiệu quả cao nhất, điều cần thiết là phải tiến gần đến giới hạn kích nổ Do đó cần đến hệ thống phát hiện kích nổ

- Khi biogas có thành phần thay đổi, tỉ lệ không khí/nhiên liệu cần được điều khiển tốt hơn để tránh bỏ lửa do hỗn hợp quá nghèo

- Dù việc lọc biogas là không kinh tế, nhưng các việc này phải được thực hiện

để khả năng động cơ chống lại tạp chất và kéo dài tuổi thọ động cơ và thời gian giữa các lần đại tu

- Sử dụng séc măng cắt thêm vào ở đỉnh của thành xi lanh chống lại sự hình thành chất lắng cặn [58]

- Sử dụng các vật liệu chống ăn mòn cho ổ đỡ Cấu trúc bề mặt dày hơn sẽ giúp rất nhiều trong môi trường ăn mòn Điều này cũng tăng khả năng chịu tải của

ổ đỡ động cơ do đó tăng tải cho động cơ

- Việc tăng chỉ số kiềm tổng (TBN) của dầu bôi trơn có giới hạn bởi thành phần tro cao Do đó để tránh hình thành axit và tăng tuổi thọ dầu, nên giữ nhiệt độ dầu bôi trơn ở mức cao để tránh sự ngưng tụ nước

- Với một số động cơ bị mòn miệng supáp có thể do các hạt silica mài mòn Giảm nhiệt độ supáp sử dụng các supáp được làm mát hoặc giảm tốc độ supáp khi supáp đóng (bằng cách thay đổi biên dạng cam)

- Nhựa phenolic có thể ngăn cản ăn mòn thiết bị trao đổi nhiệt bằng đồng và đồng thời cung cấp sự dẫn nhiệt tốt Nếu nó không đủ bền trong môi trường

ăn mòn cao, đồng có thể được thay thế bằng thép không gỉ

- Với sự phát triển của việc đốt cháy bằng buồng cháy phụ và bu-gi có buồng cháy phụ, tốc độ cháy tăng và động cơ trở nên ít bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi thành phần và hoạt động trơn tru mà không có các sự thay đổi có tính chu kỳ

- Kích cỡ hệ thống nhiên liệu là một vấn đề nữa cần được xem xét một cách cẩn thận Nhiệt trị thấp cho thấy rằng cần lượng biogas nhiều hơn để cho một công suất đầu ra xác định Tiếp đó là tiết diện supáp nạp và nắp máy có thể cần cải tạo để nạp nhiều khí vào xi lanh hơn [27]

1.3.2 Nghiên cứu và ứng dụng biogas tại Việt Nam

Với tiềm năng là một nước nhiệt đới và nông nghiệp phát triển, nước ta có nhiều triển vọng để phát triển ngành biogas bền vững Các lợi thế cho việc nghiên cứu phát triển động cơ biogas ở Việt Nam bao gồm:

- Nguồn nguyên liệu sẵn có, dồi dào (chất thải vật nuôi; cây bèo, rong; chất thải

từ các xưởng chế biến, làng nghề và khu công nghiệp )

- Thị trường cho công nghệ biogas phát điện rất lớn vì ngành chăn nuôi đang phát triển mạnh và có xu hướng mở rộng mô hình chăn nuôi hộ gia đình Động cơ biogas được các cơ quan nghiên cứu, các nhà khoa học và các cá nhân trong nước quan tâm nghiên cứu, thử nghiệm và ứng dụng Nghiên cứu về máy phát điện chạy bằng biogas ở Việt Nam tập trung vào máy phát có công suất nhỏ Nhiều đề tài nghiên cứu và thử nghiệm đã được thực hiện là cơ sở bước đầu cho ngành biogas Việt Nam Triển vọng nghiên cứu và ứng dụng động cơ biogas là rất

lớn, có nhiều tiềm năng để phát triển ngành biogas bền vững [1]

Việc sử dụng động cơ biogas học ở Việt Nam mới chỉ là bước khởi đầu, số lượng công trình có lắp đặt động cơ so với số lượng công trình được xây dựng là không nhiều Động cơ biogas có công suất nhỏ chủ yếu sử dụng cho quy mô hộ gia đình/trang trại Động cơ biogas có công suất trung bình và lớn lắp đặt cho các dự án

xử lý chất thải Công suất động cơ biogas lắp đặt cho các công trình biogas từ 1,5kW đến 15kW, trong đó hộ gia đình và trang trại quy mô nhỏ lắp đặt động cơ biogas công suất từ 1,5kW đến 7,5kW, trang trại quy mô trung bình và lớn lắp đặt động cơ biogas công suất từ 10kW đến 15kW Động cơ biogas đang được sử dụng hiện nay tại các

hộ gia đình/trang trại là máy của Đài Loan, Nhật Bản, Trung Quốc và Việt Nam, trong đó phần nhiều là động cơ biogas Trung Quốc Ứng dụng chủ yếu của động cơ biogas ở Việt Nam là kéo máy phát điện [1]

Công trình biogas quy mô hộ gia đình sử dụng chất thải vật nuôi ở hộ gia đình, trang trại nhỏ để tạo ra

nguồn nhiên liệu cho động

cơ kéo máy phát điện để

chiếu sáng, tạo gió cho

chuồng nuôi lợn, gà và phục

vụ bơm nước tắm heo, tưới

cây, … Công trình biogas đã

mang lại hiệu quả lâu dài

cho sản xuất, sinh hoạt của

người dân, đặc biệt là mở ra

hướng phát triển cho các

trang trại

Tại Việt Nam gần đây đã có một số dự án đầu tư xây dựng cụm động cơ biogas kéo máy phát điện công suất lớn dùng cho các nhà máy xử lý chất thải, nguồn vốn bằng 100% từ các công ty nước ngoài Các động cơ biogas được nhập khẩu tiếp từ nước ngoài Ngoài các dự án có nguồn đầu tư lớn như trên, hầu hết các dự án nhỏ và các

Hình 1.13: Động cơ biogas kéo máy phát điện và xay xát

trang trại chăn nuôi tập trung cũng có nhu cầu cấp thiết phát điện bằng biogas vì lượng biogas sinh ra từ hầm rất lớn và phải đốt bỏ hoặc xả bỏ trực tiếp ra môi trường [1]

GS Bùi Văn Ga và các cộng sự tại Đại học Đà Nẵng đã bắt đầu tham gia nghiên cứu về động cơ sử dụng biogas từ năm 2007, cho đến nay đã lắp đặt thành công nhiều máy phát điện nhỏ, vừa và lớn trên cả nước [17] Các động cơ biogas đã trải qua một thời gian hoạt động ổn định và tận dụng hết nguồn biogas sinh ra, đem lại lợi nhuận rất lớn cho người chăn nuôi

Công bố đầu tiên nghiên cứu biogas của GS Ga và cộng sự là thử nghiệm biogas trên xe gắn máy vào năm 2007 [6] Nhờ sử dụng oxit sắt để hấp phụ H2S và

sử dụng nước để hấp thụ CO2, khí biogas được làm giàu thêm 30%, hàm lượng H2S chỉ còn 0,5% so với mẫu khí nguyên thủy Động cơ xe gắn máy 110cc với bộ phụ kiện GA5 chạy bằng khí biogas đã qua lọc có mức độ phát thải HC khoảng 10% và

CO khoảng 1% so với giới hạn cho phép của tiêu chuẩn Việt Nam Cũng trong năm này, GS Ga và các công sự đã công bố nghiên cứu hệ thống cung cấp khí biogas cho động cơ kéo máy phát điện 2HP trình bày hệ thống cung cấp khí biogas hoàn chỉnh cho cụm động cơ đốt trong - máy phát điện [16] Khí biogas sau khi qua hệ thống khử H2S và hấp thụ CO2 được cung cấp cho động cơ đánh lửa cưỡng bức nhờ bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu biogas/xăng Bộ phụ kiện này được phát triển trên cơ sở bộ phụ kiện GA5 sử dụng trên xe gắn máy chạy bằng LPG bằng cách bổ sung thêm bộ điều tốc phụ Nhờ vậy động cơ có thể làm việc ổn định ở tất cả các chế độ tải khác nhau của máy phát

Năm 2008, GS Ga và các cộng sự đã tiếp tục công bố nghiên cứu về hệ thống cung cấp biogas cho động cơ dual-fuel biogas/diesel [12] Động cơ hai nhiên liệu biogas/diesel đã được chuyển đổi từ động cơ diesel Kubota nguyên thủy Bộ chuyển đổi bao gồm bộ hòa trộn và bộ điều tốc điều khiển van bướm cơ khí Nguồn năng lượng chính của động cơ được cung cấp từ biogas Một lượng nhỏ diesel khoảng 5% lượng phun tối đa được phun để khởi động quá trình cháy Động cơ tiêu thụ 1m3 biogas/1kWh điện Khí thải động cơ không có bồ hóng Dao động điện áp của máy phát nhỏ hơn 5% khi tải bên ngoài thay đổi Thời gian ổn định điện áp nhỏ hơn 5s Nghiên cứu tối ưu

hóa quá trình cung cấp biogas cho động cơ tĩnh tại sử dụng hai nhiên liệu biogas/dầu

mỏ cũng đã được thực hiện [11] Các thông số cơ bản cũng như qui luật vận hành của van cung cấp biogas được nghiên cứu nhằm tối ưu hóa quá trình cung cấp nhiên liệu cho các động cơ tĩnh tại chạy bằng hai nhiên liệu biogas/dầu mỏ Kết quả tính toán van sai lệch so với kết quả thực nghiệm khoảng 10% Mức độ phát thải ô nhiễm của động

cơ giảm 100 lần đối với CO và 10 lần đối với HC so với tiêu chuẩn khí thải động cơ xe

cơ giới Hệ thống cung cấp nhiên liệu nguyên thủy của động cơ không thay đổi

Đến năm 2009, khả năng giảm phát thải CO2 ở Việt Nam nhờ sản xuất điện năng bằng biogas đã được GS Ga nghiên cứu cho thấy nếu sử dụng công nghệ chuyển đổi biogas thành điện, mỗi năm nước ta có thể sản xuất 10% điện năng bằng nhiên liệu tái tạo và giảm 6,5% phát thải Carbon vào bầu khí quyển [14] Bên cạnh đó, động

cơ nhiều xi lanh cỡ lớn hai nhiên liệu cũng đã được nghiên cứu xác định kích thước van cung cấp biogas [15] Mục đích của nghiên cứu này là xác định kích thước của

hệ thống cung cấp biogas để cải tạo các động cơ diesel nhiều xi lanh cỡ lớn sang chạy bằng hai nhiên liệu Dựa vào phân tích áp suất trên đường nạp động cơ, giản đồ kích thước van cung cấp biogas theo các thông số của động cơ và của nguồn nhiên liệu được xác lập Kết quả cho thấy có thể thiết kế một van cung cấp cho phép động cơ tương ứng làm việc với nguồn biogas có phạm vi thay đổi rộng về hàm lượng CH4 và

áp suất Nghiên cứu cũng nêu bật sự khác biệt về biên dạng của van cung cấp biogas giữa động cơ nhiều xi lanh và động cơ một xi lanh

Hiệu quả kinh tế khi đầu tư một hệ thống động cơ biogas đã được tính đến khi

GS Ga nghiên cứu so sánh hiệu quả của các giải pháp cung cấp biogas cho động cơ đốt trong [13] Kết quả nghiên cứu cho thấy, ở phạm vi công suất bé, sự khác biệt về hiệu quả kinh tế của động cơ đánh lửa cưỡng bức biogas/xăng và động cơ dual-fuel biogas/diesel khi chạy bằng biogas không khác biệt nhau nhiều Tuy nhiên ở phạm vi công suất lớn, động cơ đánh lửa cưỡng bức thể hiện tính ưu việt hơn hẳn khi chạy bằng biogas so với động cơ dual fuel

Các bộ tạo hỗn hợp biogas/không khí, quá trình cháy của động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức cũng như động cơ hai nhiên liệu biogas/diesel đã được tính toán mô

phỏng trên phần mềm Fluent Ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu biogas, các điều kiện của hỗn hợp trước khi cháy cũng như các điều kiện của ngọn lửa mồi đến diễn biến quá trình đánh lửa trong buồng cháy của động cơ đều được mô phỏng và phân tích nhờ phần mềm động học thủy khí FLUENT nhằm tăng hiệu quả sử dụng biogas của động cơ [5], [8], [9], [10]

Sản phẩm chủ yếu và nổi bật trong quá trình nghiên cứu ứng dụng biogas cho động cơ đốt trong của GS Ga là hai bộ chuyển đổi vạn năng Gatec-20 và Gatec 21 [17] Hai bộ chuyển đổi này đã được lắp đặt và vận hành thực tế cho các động cơ khắp cả nước

1.4 NHU CẦU ĐỘNG CƠ BIOGAS CỠ NHỎ TẠI VIỆT NAM

1.4.1 Nhu cầu công suất kéo máy phát điện và máy công tác

Quy mô chăn nuôi nhỏ lẻ của nước ta chiếm tỷ trọng khoảng 60÷65% Với một trại chăn nuôi lợn quy mô nhỏ lẻ thì số lượng đàn lợn tập trung nằm trong khoảng

từ 50÷500 con Thiết bị tiêu thụ điện được sử dụng chủ yếu ở các trang trại là máy bơm nước vì đây là nhu cầu thiết yếu để vệ sinh chuồng trại hằng ngày Để đảm bảo lưu lượng nước sử dụng, đặt biệt ở mùa khô, công suất bơm thường được sử dụng là

≥ 2HP Ngoài ra, trang trại cũng còn sử dụng thêm các thiết bị tiêu thụ điện khác như: đèn sưởi điện, quạt thông gió, nấu cơm

Theo số liệu tính toán được, thời gian (tính theo giờ/1 ngày) sử dụng điện theo công suất sử dụng được cho ở Bảng 1.4:

Bảng 1.4: Thời gian sử dụng động cơ biogas theo số lượng lợn và công suất động cơ

KVA Số lượng lợn trong trại (con)