THIẾT KẾ HỆ THỐNG LƯỠNG NHIÊN LIỆU BIOGAS – DIESEL CHO ĐỘNG CƠ 1 XILANH

Thiết kế hệ thống lưỡng nhiên liệu biogas – diesel cho động cơ 1 xilanh 4 LỜI NÓI ĐẦU Vấn đề năng lượng và môi trường trong thời gian gần đây là vấn đề cấp bách mà tất cả các quốc gia t

Trang 1

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG

Trang 2

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG

Trang 3

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN CHÁNH PHÁP

THIẾT KẾ HỆ THỐNG LƯỠNG NHIÊN LIỆU BIOGAS – DIESEL

CHO ĐỘNG CƠ 1 XILANH

2 CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU

Theo tài liệu nhà chế tạo

3 NỘI DUNG CÁC PHẦN THUYẾT MINH VÀ TÍNH TOÁN

1 Tổng quan về đề tài nghiên cứu (phần chung)

2 Tìm hiểu tính chất của nhiên liệu khí biogas và công nghệ sản xuất và xử lý

khí biogas (Phần chung)

3 Hệ thống lọc, nén và lưu trữ khí biogas trong quá trình sử dụng (Phần

chung)

4 Các phương án cải tạo động cơ (Hưng)

5 Khảo sát đặc điểm kết cấu và tính toán nhiệt động cơ EV2600-NB (Pháp)

6 Tính toán thiết kế hệ thống lưỡng nhiên liệu biogas-diesel cho động cơ 1 xylanh EV2600-NB:

6.1 Khảo sát nguyên lý hoạt động bộ điều tốc (Hưng)

6.2 Tính toán thiết kế bố trí hệ thống cung cấp biogas (Pháp)

6.3 Thiết kế cơ cấu điều khiển van cánh (Pháp)

6.4 Nghiên cứu, thiết kế cơ cấu điều chỉnh lượng diesel phun mồi (Hưng)

7 Lắp đặt và chạy thử nghiệm (phần chung)

8 Kết luận (phần chung)

Trang 4

4 PHẦN BẢN VẼ

5 Ngày giao nhiệm vụ: 07/03/2012

6 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 15/06/2012

THÔNG QUA BỘ MÔN

Trang 5

Thiết kế hệ thống lưỡng nhiên liệu biogas – diesel cho động cơ 1 xilanh

1

Mục lục

LỜI NÓI ĐẦU 4

1 Tổng quan về đề tài nghiên cứu 5

1.1 Những vấn đề về môi trường của Việt Nam và toàn cầu hiện nay 5

1.2 Tổng quan về vấn đề năng lượng hiện nay và sự cần thiết phải có nguồn nhiên liệu thay thế 5

1.2.1 Tổng quan về vấn đề năng lượng hiện nay 5

1.2.2 Sự cần thiết phải có nguồn nhiên liệu thay thế 6

1.3 Tổng quan về các nguồn năng lượng tái sinh thay thế và ưu thế khi sử dụng nhiên liệu Biogas 6

1.3.1 Tổng quan về các nguồn năng lượng tái sinh thay thế 6

1.3.2 Ưu thế khi sử dụng nhiên liệu Biogas 9

1.4 Mục đích và ý nghĩa khoa học của đề tài nghiên cứu 10

1.4.1 Mục đích của đề tài nghiên cứu 10

1.4.2 Ý nghĩa khoa học của đề tài nghiên cứu 10

2 Tìm hiểu tính chất của khí nhiên liệu Biogas và công nghệ sản xuất và xử lý khí Biogas 11

2.1 Đặc tính,các điều kiện yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành khí Biogas 11 2.1.1 Đặc tính khí Biogas 11

2.1.2 Các điều kiện yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành khí Biogas 12

2.2 Yêu cầu của khí Biogas khi sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong 15

2.3 Sơ đồ và quá trình sản xuất khí Biogas 15

2.4 Tính năng và khả năng ứng dụng của khí Biogas sau khi qua quá trình xử lý 16

2.4.1 Tính năng của khí Biogas sau khi đã qua quá trình xử lý 16

2.4.2 Khả năng ứng dụng của khí Biogas sau khi đã qua quá trình xử lý 16

2.5 Tình hình ứng dụng của khí Biogas hiện nay 17

3 Hệ thống lọc, nén và lưu trữ khí Biogas trong quá trình sử dụng 17

3.1 Tìm hiểu hệ thống lọc và quá trình nén khí Biogas 17

3.1.1 Thiết bị hấp phụ H2S 18

3.1.2 Thiết bị hấp phụ CO2 19

3.1.3 Hệ thống thiết bị xử lý khí biogas 21

3.1.4 Sơ đồ hệ thống nén khí 23

3.2 Quá trình lưu trữ để bảo đảm an toàn cho nhiên liệu 23

4 Các phương án cải tạo động cơ 24

Trang 6

2

4.1 Phương án cải tiến động cơ chạy lưỡng nhiên liệu biogas – diesel, dùng diesel

làm nhiên liệu mồi 24

4.1.1 Thiết kế van cung cấp biogas (van tiết lưu) 24

4.1.2 Thiết kế bộ hòa trộn 25

4.1.3 Thiết kế cơ cấu hạn chế lượng phun diesel làm mồi 25

4.1.4 Thiết kế bộ điều tốc biogas 25

4.2 Phương án cải tiến động cơ sang chạy 100% Biogas, đánh lửa cưỡng bức bằng bugi 25

4.2.1 Thay đổi tỷ số nén động cơ 26

4.2.2 Thiết kế hệ thống đánh lửa 26

4.3 So sánh các phương án cải tạo 26

5 Khảo sát đặc điểm kết cấu và tính toán nhiệt động cơ EV2600-NB 27

5.1 Giới thiệu chung về động cơ khảo sát 27

5.1.1 Đặc điểm kết cấu của động cơ 27

5.1.2 Khảo sát hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ EV2600-NB 28

5.2 Tính toán nhiệt động cơ EV2600-NB 30

5.2.1 Tính toán nhiệt động cơ EV2600-NB khi sử dụng diesel 30

5.2.2 Tính toán chu trình nhiệt động cơ sử dụng song song Biogas – Diesel 39

5.2.3 So sánh kết quả tính toán 55

6 Tính toán thiết kế hệ thống lưỡng nhiên liệu biogas-diesel cho động cơ 1 xilanh EV2600-NB 59

6.1 Kết cấu và nguyên lý hoạt động bộ điều tốc 59

6.1.1 Bộ điều tốc diesel 59

6.1.2 Bộ điều tốc biogas 61

6.2 Tính toán thiết kế bố trí hệ thống cung cấp biogas 72

6.2.1 Tính toán thiết kế bộ hòa trộn 72

6.2.2 Tính toán van tiết lưu 76

6.3 Thiết kế cơ cấu điều khiển van cánh 81

6.4 Nghiên cứu, thiết kế cơ cấu điều chỉnh lượng diesel 81

6.4.1 Cơ sở thiết kế 81

6.4.2 Thiết kế cơ cấu điều chỉnh lượng nhiên liệu Diesel cho động cơ 82

6.4.3 Nhận xét, lựa chọn phương án cải tạo 85

7 Lắp đặt và chạy thử nghiệm 85

7.1 Mục đích và yêu cầu 85

7.1.1 Mục đích: 85

7.1.2 Yêu cầu 85

Trang 7

3

7.2 Địa điểm, trang thiết bị và sơ đồ lắp đặt thí nghiệm 86

7.2.1 Địa điểm thí nghiệm 86

7.2.2 Trang thiết bị thí nghiệm 86

7.2.3 Sơ đồ lắp đặt động cơ lên băng thử 86

7.3 Khảo sát băng thử thủy lực FROUDE 86

7.3.1 Sơ đồ nguyên lý băng thử FROUDE 87

7.3.2 Nguyên lý làm việc của băng thử FROUDE 87

7.4 Quá trình chuẩn bị chạy thử nghiệm 88

7.5 Xử lý số liệu và xây dựng đường đặc tính 88

7.5.1 Đo công suất của động cơ 89

7.5.2 Đo lượng tiêu hao nhiên liệu 90

7.5.3 Đo công suất của động cơ ứng với độ mở bướm ga và nồng độ của CH4 91

KẾT LUẬN 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

Trang 8

4

LỜI NÓI ĐẦU

Vấn đề năng lượng và môi trường trong thời gian gần đây là vấn đề cấp bách

mà tất cả các quốc gia trên thế giới đều phải quan tâm Sự cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên và vấn đề biến đổi khí hậu toàn cầu đã buộc con người phải hành động nhằm duy trì sự ổn định và phát triển của nhân loại Không nằm ngoài quy luật chung của nhân loại trong những năm gần đây nước ta cũng đã tiến hành nhiều nghiên cứu nhằm tìm ra nguồn năng lượng mới sạch hơn, thân thiện hơn với môi trường

Với tư cách là một sinh viên ngành Động lực thì vấn đề góp phần giảm thiểu

ô nhiễm môi trường là một yêu cầu cần thiết

Đây là lý do mà nhóm em chọn đề tài: “ Thiết kế hệ thống lưỡng nhiên liệu

biogas – diesel cho động cơ 1 xilanh ” để phục vụ cho đồ án tốt nghiệp của mình

Sau một thời gian thực hiện đề tài với sự nổ lực của bản thân và sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy cô giáo trong bộ môn, bạn bè và đặc biệt là các thành viên trung tâm nghiên cứu ứng dụng năng lượng thay thế đã giúp em hoàn thành đề tài Tuy kết quả chưa thật thành công nhưng đây là bước đệm giúp những sinh viên như em tiến bước trên con đường của mình

Sau cùng em xin gửi cảm ơn chân thành đến các thầy trong khoa đặc biệt là

thầy giáo PGS.TS Trần Thanh Hải Tùng đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá

trình làm đồ án vừa qua

Đà Nẵng, ngày 10 tháng 06 năm 2012

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Chánh Pháp Trương Việt Hưng

Trang 9

5

1 Tổng quan về đề tài nghiên cứu

1.1 Những vấn đề về môi trường của Việt Nam và toàn cầu hiện nay

Tài nguyên và môi trường có vị trí đặc biệt quan trọng đối với con người và

sự phát triển của xã hội Hàng ngày chúng ta sử dụng không khí, nước, thực phẩm

để tồn tại và sử dụng các nguồn tài nguyên thiên nhiên và môi trường để đáp ứng các nhu cầu thiết yếu của cuộc sống Mỗi sự biến đổi của tự nhiên, của môi trường đều liên hệ mật thiết đến chúng ta, sự đe dọa nào đối với thiên nhiên, môi trường cũng chính là đe dọa đối với chúng ta

Trong quá trình sản xuất và sinh hoạt, con người đã và đang thải vào môi trường hàng triệu tấn các chất độc hại có rất nhiều nguyên nhân khác nhau như: Do quá trình sản xuất công nghiệp thải ra khí thải độc hại, do quá trình khai thác tài nguyên thiên nhiên, các loại hóa chất sử dụng trong công nghiệp, nông nghiệp, do việc sử dụng nhiên liệu của các phương tiện giao thông vận tải gây ra…

Các phương tiện giao thông vận tải chủ yếu sử dụng nhiên liệu truyền thống như xăng và diesel Chính vì vậy trong khí thải của động cơ chứa rất nhiều khí độc

môi trường không khí làm cho hàm lượng khí độc hại trong bầu khí quyển ngày càng tăng lên

Với mức độ phát sinh ô nhiễm rất nghiêm trọng do khí thải của phương tiện giao thông vận tải gây ra, nếu ngay từ bây giờ không có những biện pháp hữu hiệu

để hạn chế đến mức thấp nhất mức độ phát sinh chất ô nhiễm thì trong tương lai không xa, chúng ta phải đương đầu với những điều kiện khắc nghiệt của cuộc sống

do thiên nhiên tác động như: Trái đất nóng lên, mực nước biển dâng cao, những trận mưa axit Do đó việc nghiên cứu thay thế nguồn nhiên liệu truyền thống (xăng, dầu) bằng nguồn nhiên liệu thay thế như khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG), khí thiên nhiên (CNG), khí sinh học (Biogas) là rất cần thiết nhằm hạn chế việc phát sinh các chất độc hại Đây là một trong những vấn đề đươc nhiều nhà nghiên cứu quan tâm giải quyết, kịp thời ngăn chặn mức độ ô nhiểm của bầu khí quyển

1.2 Tổng quan về vấn đề năng lượng hiện nay và sự cần thiết phải có nguồn nhiên liệu thay thế

1.2.1 Tổng quan về vấn đề năng lượng hiện nay

Năng lượng là điều kiện tất yếu cho sự tồn tại và tiến hóa của mọi sinh vật Trong quá trình phát triển xã hội loài người nguồn năng lượng thường xuyên chuyển dịch từ dạng này sang dạng khác Dạng năng lượng thiên nhiên đầu tiên được con người sử dụng là năng lượng mặt trời, được sử dụng một cách tự nhiên để soi sáng, sưởi ấm, phơi khô lương thực, thực phẩm và các đồ dùng Tiếp đó là năng

Trang 10

6

lượng gỗ củi, rồi tới năng lượng nước, gió, năng lượng kéo của gia súc, năng lượng khai thác từ than đá ngự trị trong thế kỷ 18-19 Năng lượng dầu mỏ thay thế vị trí của than đá trong thế kỷ 20 và từng bước phát triển năng lượng hạt nhân Các dạng năng lượng mới ít ô nhiễm như năng lượng mặt trời, năng lượng nước, năng lượng gió, thủy triều, năng lượng vi sinh vật với những phương pháp và phương tiện công nghệ tiên tiến cũng đang mở rộng phạm vi hoạt động của mình

1.2.2 Sự cần thiết phải có nguồn nhiên liệu thay thế

Những hiệu quả và giá trị của dầu mỏ và động cơ đốt trong mang lại thật sự không ai có thể phủ nhận được Nguồn năng lượng chúng mang lại hầu như là chiếm ưu thế hoàn toàn Do vậy, mà hầu hết các quốc gia trên thế giới đều muốn chiếm ưu thế và chủ động về nguồn dầu mỏ Cuộc khủng hoảng năng lượng vào thập kỷ 70 của thế kỷ 20 đã một lần nữa khẳng định tầm quan trọng chiến lược của dầu mỏ đối với mỗi quốc gia và cho toàn thế giới Nhưng theo dự đoán của các nhà khoa học thì với tốc độ khai thác hiện nay, trữ lượng dầu mỏ còn lại của trái đất cũng chỉ đủ cho con người khai thác trong vòng không quá 40 năm nữa

Bên cạnh đó khi chúng ta sử dụng nhiên liệu dầu mỏ cho động cơ đốt trong thì sẽ gây ra các hậu quả làm ô nhiễm không khí, làm thủng tầng ôzôn, gây hiệu ứng

nhân chính gây ô nhiễm bầu không khí, ảnh hưởng đến sức khỏe con người Do đó, con người đứng trước một thách thức lớn là phải có nguồn nhiên liệu thay thế

Một xu hướng hiện nay, là nghiên cứu thay thế sử dụng nhiên liệu truyền thống: Xăng, dầu diesel bằng các loại nhiên liệu mới sạch, nhiên liệu tái sinh cho các loại động cơ như năng lượng mặt trời, khí thiên nhiên, khí dầu mỏ hóa lỏng, năng lượng điện, khí sinh vật Biogas, năng lượng thủy điện.Việc chuyển dần sang

sử dụng các loại nhiên liệu không truyền thống đã trở thành chiến lược trong chính sách năng lượng của nhiều quốc gia phát triển

1.3 Tổng quan về các nguồn năng lượng tái sinh thay thế và ưu thế khi sử dụng nhiên liệu Biogas

1.3.1 Tổng quan về các nguồn năng lượng tái sinh thay thế

1.3.1.1 Năng lượng mặt trời

Đối với cuộc sống của loài người, năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng tái tạo quý báu Có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng các photon của mặt trời thành điện năng, như trong pin mặt trời Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước mặt trời, hoặc

Trang 11

7

làm sôi nước trong các máy nhiệt điện của tháp mặt trời, hoặc vận động các hệ thống nhiệt như máy điều hòa mặt trời

Hình 1 - 1 Nhà máy điện mặt trời Nellis ở Hoa Kỳ

1.3.1.2 Năng lượng gió

Ý tưởng dùng năng lượng gió để sản xuất điện hình thành ngay sau các phát minh ra điện và máy phát điện Đây là một loại năng lượng sạch chi phí để thu năng lượng khá thấp nhưng đòi hỏi phải phù hợp với điều kiện địa lý ở từng vùng Ở các nước khác việc sử dụng loại năng lượng này khá phổ biến Đặc biệt ở các vùng hải đảo

Hình 1 – 2 Tuốc bin gió tại Tây Ban Nha

1.3.1.3 Năng lượng địa năng

Để thu được nhiệt năng của trái đất, người ta phải khoan sâu vào lòng đất thu lấy hơi nóng từ các nguồn phóng xạ, các luồng hơi nóng từ tâm Trái đất và lớp vỏ ngoài Từ những năm 70 Mỹ đã nhận thấy đây là cách giúp họ thoát khỏi tình trạng phải phụ thuộc vào nguồn năng lượng nhập khẩu Tuy nhiên cho đến nay ngành công nghiệp non trẻ này mới chỉ cung cấp ít hơn 1% nhu cầu năng lượng của nước

Trang 12

8

Mỹ Một phần là do ngay cả chi phí cho cách đơn giản nhất để khai thác nhiệt năng,

đó là tập trung thẳng vào các mạch, các nguồn như suối nước nóng hay núi lửa, cũng là rất tốn kém

1.3.1.4 Năng lượng hạt nhân

Nhà máy điện nguyên tử đầu tiên đi vào hoạt động năm 1954 tại Liên Xô, sau đó các nước ở châu Âu, châu Mỹ và một số nước ở châu Á đã lần lượt xây dựng

và khai thác các nhà máy điện nguyên tử Dự đoán đến năm 2020 nguồn năng lượng hạt nhân sẽ chiếm 60-65% tổng công suất điện năng trên thế giới Việc sử dụng điện hạt nhân tránh được các dạng ô nhiễm thồng thường, tại các nhà máy nhiệt điện nhưng lại là nguồn gây nguy hiểm lớn về môi trường do các chât thải phóng xạ

Hình 1 – 3 Khung cảnh bên ngoài một nhà máy điện hạt nhân

1.3.1.5 Năng lượng từ khí sinh học (Biogas)

từ trại chăn nuôi là chất thải hữu cơ của vật nuôi Ưu điểm của nguồn năng lượng này là việc nó thay thế được các nguồn năng lượng khác nhau như: Than, củi, điện, nhiên liệu khí hóa lỏng và dầu Sau khi phân động vật được phân huỷ thì nó cho chất lưỡng hữu cơ giàu chất dinh dưỡng và không có mùi được sử dụng để cải thiện đất nông nghiệp tốt hơn phân bón tươi Bên cạnh đó ngăn ngừa nạn chặt phá rừng bảo vệ môi trường Chính vì vậy hiện nay, biogas được sử dụng rộng rãi từ các trang trại nhỏ đến các trang trại lớn

chi phí lắp đặt thấp vì vậy rất nhiều các hộ gia đình chăn nuôi nhỏ và các trại chăn nuôi sử dụng biogas cho các nhu cầu đun nấu, thắp sáng

Trang 13

9

1.3.1.6 Nhiên liệu khí dầu mỏ hóa lỏng LPG

LPG là sản phẩm trung gian giữa khí thiên nhiên và dầu thô, nhiên liệu khí hóa lỏng có thể thu được từ công đoạn lọc dầu hoặc làm tinh khiết khí thiên nhiên Chúng thường có trong phần còn lại(cặn) của quá trình chưng cất dầu hỏa, được hóa lỏng ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển và ở nhiệt độ môi trường chúng thường là

ở trạng thái khí Về mặt lý thuyết LPG chữa 50% propan và 50% butan

Ô tô sử dụng LPG ít gây ô nhiễm môi trường nhờ giảm một lượng lớn các

20% so với lượng khí độc thải ra do động cơ chạy bằng xăng và diesel Do LPG có các đặc tính kĩ thuật như tính chống kích nổ cao, không có chì nên sản phẩm không

có muội than không có hiện tượng đóng màng của động cơ, ít gây mòn xilanh, piston, segment và các chi tiết kim loại khác trong động cơ Trữ lượng khí thiên nhiên trên thế giới để sản xuất ra LPG rất lớn, chi phí sản xuất ra LPG thấp và LPG

có tính kinh tế nhiên liệu cao hơn so với nhiên liệu truyền thống

1.3.1.7 Nhiên liệu có nguồn gốc từ sinh khối Biofuel

Nhiên liệu có nguồn gốc sinh khối sử dụng làm nhiên liệu trên động cơ ô tô chủ yếu là dầu thực vật và biodiesel Dầu thực vật là loại dầu được chiết suất từ các hạt các loại củ của cây chứa dầu với chiết xuất lớn như đậu phộng, đậu nành, dầu cải, hướng dương, hạt dừa, hạt cọ

1.3.1.8 Hydro nguồn năng lượng trong tương lai

Hydro nguồn năng lượng an toàn, thân thiện với môi trường Vì trong thành phần hóa hoc của hydro chỉ chứa các nguyên tố như cacbon (C), lưu huỳnh (S), nitơ

lý tưởng

1.3.2 Ưu thế khi sử dụng nhiên liệu Biogas

Ngoại trừ năng lượng thuỷ điện và năng lượng hạt nhân, phần lớn năng lượng trên thế giới đều tiêu tốn nguồn dầu mỏ, than đá và khí tự nhiên Tất cả các nguồn này đều có hạn và với tốc độ sử dụng chúng như hiện nay thì sẽ bị cạn kiệt hoàn toàn vào nữa cuối thế kỷ 21 Sự cạn kiệt của nguồn dầu mỏ thế giới và sự quan tâm về môi trường ngày càng tăng đã dẫn đến sự nghiên cứu và phát triển nguồn năng lượng thay thế cho năng lượng có nguồn gốc dầu mỏ

Biogas là năng lượng có thể tái sinh được, đây là một sự thay thế đầy tiềm năng cho các nguồn nhiên liệu chính lấy từ dầu mỏ, đang sắp cạn kiệt trong vòng khoảng 30-40 năm nữa

Đối với nước ta nguồn cung cấp nguyên liệu để sản xuất Biogas rất đa dạng

và có tiềm năng rất lớn đặc biệt là đối với các hộ gia đình chăn nuôi theo lối trang

Trang 14

10

trại Đây là hướng đi nhằm góp phần làm giảm áp lực về nhu cầu năng lượng đối với đất nước và cũng góp phần giải quyết ô nhiễm môi trường

*Một số ưu điểm của nhiên liệu Biogas:

- Đối với môi trường

nhân chính gây ra hiệu ứng nhà kính, tránh được các thảm họa về môi trường

+ Không có hoặc chứa rất ít các hợp chất của lưu huỳnh (<0,001% so với đến 0,2% trong dầu diesel)

+ Không chứa HC thơm nên không gây ung thư

+ Khí thiên nhiên biogas không chứa chì gây tác hại đến sức khỏe con người, gây ô nhiễm môi trường không khí

+ Có khả năng tự phân huỷ và không độc (phân huỷ nhanh hơn diesel 4 lần, phân huỷ từ 85 - 88% trong nước sau 28 ngày)

+ Giảm ô nhiễm môi trường nước và đất

- Đối với kinh tế

+ Sử dụng nhiên liệu Biogas ngoài vấn đề giải quyết ô nhiễm môi trường nó còn thúc đẩy ngành nông nghiệp phát triển, tận dụng tiềm năng sẵn có của ngành nông nghiệp như thúc đẩy phát triển chăn nuôi trang trại, tận dụng các nguồn rác thải sẵn có

+ Đồng thời đa dạng hoá nền nông nghiệp va tăng thu nhập ở vùng miền nông thôn

1.4 Mục đích và ý nghĩa khoa học của đề tài nghiên cứu

1.4.1 Mục đích của đề tài nghiên cứu

Nghiên cứu thiết kế hệ thống lưỡng nhiên liệu biogas-diesel cho động cơ 1 xilanh để chạy động cơ máy phát điện ở trại chăn nuôi, qua đó tận dụng được nguồn năng lượng tại chỗ Việc tận dụng các nguồn năng lượng tại chỗ cho sản xuất sẽ giúp cho người dân tiết kiệm được kinh phí, làm giảm giá thành sản phẩm, tăng thu nhập cho người dân, góp phần đẩy mạnh công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa nông nghiệp nông thôn, đảm bảo sự phát triển bền vững của đất nước

1.4.2 Ý nghĩa khoa học của đề tài nghiên cứu

Sử dụng nhiên liệu khí biogas để làm nhiên liệu chạy động cơ đốt trong sẽ làm

quốc tế về môi trường mà Việt Nam đã cam kết tham gia

Tìm ra một giải pháp cho vấn đề sử dụng nguồn nhiên liệu Biogas mà hiện nay chúng ta đang lãng phí, tránh gây khó khăn cho việc cất giữ loại nhiên liệu này

Trang 15

còn lại là một lượng nhỏ khí: N2, H2, CO,…CH4 có số lượng lớn và là khí chủ yếu

học Phụ thuộc loại phân, tỉ lệ phân nước, nhiệt độ môi trường, tốc độ dòng chảy…trong hệ thống phân hủy khí sinh học kỵ khí

Trang 16

12

Ngọn lửa khí sinh học có màu xanh da trời và tỏa sáng yếu Khí sinh học có chứa

nên có thể gây ngạt thở, dẫn tới tử vong Khí sinh học có khối lượng riêng là 1,2196 kg/m3 Khí sinh học có tỷ khối là 0,94 Nó nhẹ hơn không khí một chút

b Nhiệt trị của khí sinh học

Nhiệt trị của khí sinh học chủ yếu được xác định bằng hàm lượng methane trong thành phần của nó QKSH = QCH4 × %CH4

Trong đó QKSH là nhiệt trị của khí sinh học, QCH4 là nhiệt trị của methane và

2.1.2 Các điều kiện yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành khí Biogas

Trong thực tế, sản lượng khí sinh học của các nguyên liệu không thể đạt giá trị lý thuyết vì quá trình phân huỷ không xảy ra trong điều kiện lý tưởng, nguyên liệu không phân huỷ hoàn toàn vì nhiều yếu tố ảnh hưởng

2.1.2.1 Môi trường kỵ khí

Trong các bể phân huỷ kỵ khí bắt buộc phải không có oxy Vi khuẩn kỵ khí lấy oxy từ nguồn cung khác, chứ không phải từ không khí Nguồn oxy này có thể lấy từ chính nguyên liệu hữu cơ hoặc từ các oxit vô cơ trong nguyên liệu nạp vào Khi oxy lấy từ các nguyên liệu hữu cơ, thì sản phẩm trung gian cuối cùng sẽ là rượu cồn, aldehyt và các axit hữu cơ cùng với cacbonic Đa số vi khuẩn tham gia vào quá trình tạo khí sinh học đều thuộc loại kỵ khí bắt buộc hoặc không bắt buộc, nhạy cảm với oxy Vi khuẩn sinh methane sẽ bị chết khi bị phơi ngoài không khí Vì vậy, môi trường kỵ khí là một yếu tố bắt buộc để các vi khuẩn hoạt động được Quá trình phân huỷ sinh khí sinh học là cả một quá trình đan xen các giai đoạn Các nhóm vi khuẩn khác nhau với điều kiện riêng khác nhau, nhưng lại cùng đồng thời hoạt động

và hỗ trợ lẫn nhau

2.1.2.2 Tỷ lệ cacbon/nitơ (C/N)

Khí sinh học sinh ra do quá trình phân huỷ các chất hữu cơ được quyết định bởi quần hệ vi khuẩn Môi trường dinh dưỡng tối ưu cho vi khuẩn sinh tổng hợp cấu trúc tế bào khi nguyên liệu phân huỷ có tỷ lệ C/N trong khoảng 20 – 30 Nếu tỷ lệ C/N quá cao, lượng nitơ không đủ cho vi khuẩn sinh methane sử dụng để đáp ứng nhu cầu protein của chúng, trong khi lượng cacbon lại thừa Kết quả sẽ làm giảm sản lượng khí sinh học Nếu C/N quá thấp, nitơ thừa bị tích tụ dưới dạng amôn (NH4), làm tăng pH môi trường Khi pH cao hơn 8,5 quần hệ vi khuẩn trong môi trường sẽ bị nhiễm độc Chất thải động vật nói chung có C/N khoảng 24, nguyên

Trang 17

13

liệu thực vật có C/N cao hơn nhiều Nói chung tỷ lệ C/N của cùng một loại nguyên liệu biến đổi trong phạm vi rộng

2.1.2.3 Tỉ lệ chất khô và độ pha loãng nguyên liệu

Các nguyên liệu hữu cơ có hàm lượng chất khô khác nhau Hàm lượng chất khô phụ thuộc nhiều yếu tố như tuổi của nguyên liệu, điều kiện sinh trưởng của cây cối, điều kiện nuôi dưỡng của vật nuôi Đối với nguyên liệu là chất thải (CT – gồm phân và nước tiểu) động vật, phân thường có hàm lượng chất khô vào khoảng 18 – 40%, nước tiểu có hàm lượng chất khô vào khoảng 5 – 10% Chất thải động vật có hàm lượng chất khô cao hơn giá trị tối ưu Để giảm hàm lượng chất khô khi nạp vào

bể phân huỷ nên pha loãng với nước Nước sẽ làm giảm khả năng tạo thành các chất như nitơ, sulfua Các chất này dễ dàng chuyển thành amôn và hyđro sulfua làm ức chế quá trình phân huỷ kỵ khí Sự phân huỷ các chất rắn ở nồng độ cao sẽ tạo ra các sản phẩm có nồng độ cao gây ức chế quá trình phân huỷ kỵ khí

2.1.2.4 Độ pH

Vi khuẩn sinh methane rất nhạy cảm với pH của môi trường, chúng chỉ sinh trưởng tốt trong khoảng pH 6,8 – 8,5 và bị ức chế khi pH < 6,2 Các vi khuẩn sinh axit đều sinh trưởng nhanh hơn vi khuẩn sinh methane Nếu loại vi khuẩn sinh axit phát triển quá nhanh thì chúng sẽ tạo ra quá nhiều axit mà vi khuẩn sinh methane không sử dụng hết Kết quả của quá trình này là pH giảm, môi trường phản ứng mất cân bằng, và tất nhiên sản lượng khí sinh học sẽ suy giảm Chính vì vậy, hệ thống hồi lưu sinh khối dùng trong các bể phân huỷ dòng chảy liên tục và trộn đều sẽ duy trì tốt cho sự phát triển cân bằng quần hệ vi khuẩn

2.1.2.5 Nhiệt độ lên men

Nhiệt độ là một biến số của quá trình phân huỷ nói chung, ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống vi khuẩn cũng như độ ẩm của khí sinh học Độ ẩm của khí sinh học tăng theo hàm số mũ của nhiệt độ Nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến sản lượng khí và các chất hữu cơ bay hơi bị hoà tan vào nguyên liệu cũng như hàm lượng amon và khí hyđro sulfua Các loài vi khuẩn khác nhau có thể tồn tại trong những

men kỵ khí có thể diễn ra trong khoảng nhiệt độ 35 – 700C, và có thể được chia thành 3 giới hạn ứng với 3 loại quần hệ vi khuẩn ưa lạnh, ưa ấm và ưa nhiệt Nhiệt

độ lạnh < 200C, nhiệt độ trung bình 200C – 400C, nhiệt độ cao > 400C

2.1.2.6 Thời gian lưu

Thời gian lưu (Retention Time - RT) là thời gian chất hữu cơ nằm trong bể phân huỷ Thời gian lưu tuỳ thuộc vào các yếu tố như nhiệt độ xử lý, thành phần

Trang 18

14

nguyên liệu, kiểu thiết bị Thời gian lưu gồm hai loại: thời gian lưu thuỷ lực và thời gian lưu chất rắn

2.1.2.7 Lưu lượng nạp nguyên liệu

Lưu lượng nạp nguyên liệu (L) là lượng nguyên liệu được nạp hàng ngày cho

thể tích bể phân huỷ đối với các thiết bị sản xuất khí sinh học hoạt động kiểu liên tục Khi chọn lưu lượng nạp hợp lí thì pH nguyên liệu có thể được duy trì trong phạm vi 8 – 8,5 Nếu lưu lượng nạp quá cao sẽ tích tụ axit, gây ức chế khả năng sinh Methane và ngược lại, sẽ làm giảm sản lượng khí

2.1.2.8 Chất xúc tác

Các quần hệ vi khuẩn kỵ khí phải mất một thời gian khá dài để tự thiết lập nên môi trường phát triển của chúng Vì vậy, trong thực tế, nhằm thúc đẩy nhanh quá trình phân huỷ sinh khí, người ta thường “cấy” thêm các vi khẩn này và nguyên liệu (ví dụ bổ sung thêm phân gia súc, chất lắng cặn cống rãnh) Có nhiều loại chất xúc tác như: enzym, muối vô cơ, các nguyên liệu vô cơ và hữu cơ Ví dụ, men xenlulaza làm tăng đáng kể sự phân huỷ xenlulôza của nguyên liệu, bổ xung 0,5% đất hiếm (R2O5) thì sản lượng khí tăng 17% Bổ xung phân đạm, ví dụ hydrocacbonat amôn, tốc độ sinh khí từ thân cây tăng mạnh Thêm một lượng nhỏ than hoạt tính hoặc than bùn sẽ làm tăng sản lượng Methane Ngoài ra các kim loại nặng như đồng, niken, crôm, kẽm, chì, , các ion khoáng như natri, lân, canxi, magiê, amôn, sunphua, với một nồng độ thích hợp sẽ kích thích vi khuẩn phát triển

2.1.2.9 Khuấy đảo

Khi không khuấy đảo, nguyên liệu trong bể phân hủy thường phân tầng thành 3 lớp: Lớp trên là váng, lớp giữa là lỏng, lớp đáy là lắng cặn Vi khuẩn khó phân bố đều trong môi trường lên men, kết quả là vi khuẩn khó tiếp xúc được với nguyên liệu mới để hấp thụ các chất dinh dưỡng, trong bể phân huỷ có nhiều “vùng chết” ở đó mật độ vi khuẩn thấp, sự phân huỷ xảy ra yếu, nguyên liệu có thể tích tụ

và đọng lại ở đó Nếu khuấy đảo, ta có thể khắc phục được nhược điểm trên khiến quá trình phân huỷ xảy ra nhanh hơn, đồng đều hơn, sản lượng khí thu được cao hơn

2.1.2.10 Các chất gây ức chế

Các ion khoáng (K+, Na+, Cu++, Ca++…), kim loại nặng (Mg): (khi vượt quá nồng độ cho phép), thuốc trừ sâu, các chất kháng khuẩn, các chất tẩy rửa (xà phòng, chất tẩy hữu cơ), đều tác động mạnh đến hệ vi khuẩn trong chuỗi phản ứng phân huỷ kỵ khí

Trang 19

15

2.2 Yêu cầu của khí Biogas khi sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong

Vấn đề quan tâm và cần được nghiên cứu tiếp là làm sao có thể nâng cao hiệu suất động cơ và giảm thiểu ô nhiễm môi trường do khí thải động gây ra Ta biết

rất độc tạo nên hỗn hợp nổ với không khí Khi Biogas được sử dụng làm nhiên liệu, khí H2S có thể ăn mòn các chi tiết của động cơ, sản phẩm của nó là SOx cũng là một khí rất độc cho con người (TCVN cho phép là 0,3mg/m3) Vì thế, hoàn thiện quá trình cháy trong động cơ sử dụng nhiên liệu Biogas là vấn đề đặt ra để có thể vừa kéo dài tuổi thọ động cơ vừa giảm thiểu ô nhiễm trong khí thải động cơ Hàm lượng của các chất này không được vượt quá mức cho phép

Mặc dù không phải là chất chiếm nhiều trong Biogas như carbon dioxide, nhưng hơi nước có thể có ảnh hưởng đáng kể đến các đặc trưng của quá trình cháy Biogas Dù hàm lượng nhỏ nhưng hơi nước đã ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ ngọn lửa, giới hạn cháy, nhiệt trị thấp và tỷ lệ không khí/nhiên liệu của Biogas Ngoài ra nó làm tăng nguy cơ ăn mòn thiết bị, do đó cần thiết phải giảm lượng hơi nước có trong Biogas Phụ thuộc vào nhiệt độ thông thường Biogas lấy ngay từ hầm phân huỷ có hàm lượng ẩm khoảng 50 mg/l, gần với nồng độ bão hoà

2.3 Sơ đồ và quá trình sản xuất khí Biogas

Hình 2 - 1 Sơ đồ hệ thống sản xuất biogas

1 - Bể lắng cát; 2 - Ống dẫn phân; 3 - Ống dẫn bạ thải; 4 - Bể đựng chất thải;

Trang 20

16

Nguyên lý làm việc của hệ thống

Phân tươi từ chuồng trại được đưa vào bể lắng cát (1) để lắng đá, cát rồi qua ống dẫn phân (2) vào bể phân huỷ Ở bệ phân huỷ xẩy ra quá trình lên men tạo khí sinh học như sau:

Hình 2 - 2 Các giai đoạn hình thành khí biogas

CO2, hỗn hợp được lọc chứa phần trăm H2S và CO2 nhỏ, thành phần trăm CH4chiếm khoảng 97,9% Sau đó hỗn hợp được dẫn vào bình chứa biogas (6), các chất

bã sau khi phân huỷ được dẫn ra bể chứa chất thải (4) và được tưới cho cây trồng

2.4 Tính năng và khả năng ứng dụng của khí Biogas sau khi qua quá trình xử

lý

2.4.1 Tính năng của khí Biogas sau khi đã qua quá trình xử lý

thuộc vào một số yếu tố nhất định Thành phần của Biogas phụ thuộc vào loại chất thải bị phân huỷ, độ dài của thời gian lưu trong đó chất thải trải qua quá trình phân huỷ Biogas sinh ra từ quá trình phân huỷ kỵ khí là hỗn hợp của nhiều loại khí Hỗn

sulfide (H2S) Biogas sau khi qua lọc thì thành phần gồm 70-90% CH4, 9-29% CO2

2.4.2 Khả năng ứng dụng của khí Biogas sau khi đã qua quá trình xử lý

Có thể nói rằng động cơ đốt trong sử dụng Biogas đã được ứng dụng nhiều năm nay và mang lại những thành công ở nhiều mức độ khác nhau Trong những năm trở lại đây, khí biogas đã được ứng dụng rộng rãi cho các ngành sản xuất nông nghiệp và công nghiệp dưới sức ép của việc khan hiếm năng lượng hoá thạch trong tương lai

Chất béo

Các chất tan

huỷ prôtêin

có KLPT nhỏ + CO2, H2

+ Ancol

sinh axít

Giai đoạn III

Vi khuẩn sinh CH4

+ CH4 + H2S,CO2Giai đoạn II

Giai đoạn I

Trang 21

17

2.5 Tình hình ứng dụng của khí Biogas hiện nay

Hiện nay, khí nhiên liệu thay thế đã trở thành đề tài nghiên cứu được nhiều nhà quan tâm thì những lựa chọn để sử dụng nguồn năng lượng này càng trở nên phong phú Các xu hướng chính sử dụng nhiên liệu biogas trên thế giới như sau:

Hình 2 – 3 Sơ đồ các ứng dụng biogas

3 Hệ thống lọc, nén và lưu trữ khí Biogas trong quá trình sử dụng

3.1 Tìm hiểu hệ thống lọc và quá trình nén khí Biogas

bị, tạo ra ô nhiễm môi trường

do đó làm giảm hiệu suất của động cơ

Vì vậy cần phải tách H2S và CO2 ra khỏi hỗn hợp khí

Công suất trên

trục

Vận tải

Cấp nhiệt, làm lạnh

Phát nhiệt điện

Trang 22

18

3.1.1 Thiết bị hấp phụ H 2 S

tiện sắt Phoi sắt trước khi sử dụng phải được oxi hóa để tạo thành một lớp oxyt sắt trên bề mặt Quá trình này có thể thực hiện tự nhiên bằng cách phơi ngoài không khí một thời gian hoặc có thể đốt để oxy hóa nhanh hơn Phản ứng xảy ra như sau:

Fe + 1/2 O2 → FeO 2Fe + 3/2O2 → Fe2O3 3Fe + 2O2 →Fe3O4 Oxyt sắt tạo thành là hỗn hợp của các oxyt FeO, Fe2O3 (Fe3O4) Các phản ứng trên có thể được xúc tiến nhanh hơn bằng cách tưới nước trên phoi sắt Quá trình oxy hóa sắt đạt yêu cầu khi bề mặt phoi sắt chuyển từ màu xám của phoi sắt thành màu vàng xốp, hoặc đỏ xốp như minh họa dưới đây:

Hình 3 - 1 Phoi sắt trước khi bị Oxi hóa (trái) và sau khi bị Oxi hóa (phải)

A-A

Hình 3.2 Thiết bị tách H 2 S 1- Lưới đỡ đệm 3- Tai cố định 5- Thân thiết bị 7- Đệm lót

2- Phoi sắt 4- Nắp thiết bị 6- Đai ốc 8- Van dẫn khí ra

Trang 23

bị hấp phụ lại bằng các phản ứng trên Sau khi hỗn hợp khí ra khỏi thiết bị hàm lượng H2S rất ít

Với cấu tạo như trên cho phép thiết bị có độ kín tuyệt đối đảm bảo không thất thoát biogas Có thể mở ra để tái sinh hoàn phoi sắt, hoặc thay thế phoi sắt Thiết bị có giá thành rẻ, dễ chế tạo nhưng hiệu quả xử lý cao

3.1.2 Thiết bị hấp phụ CO 2

Khí CO2 chiếm một thành phần lớn trong Biogas Tuy nó không gây ra ăn mòn, nhưng nó làm giảm công suất của động cơ phát điện do những nguyên nhân sau:

- CO2 làm giảm lượng khí CH4 nạp vào động cơ trong kỳ hút

- CO2 hấp thụ nhiệt tạo ra do khí cháy

Vì những nguyên nhân đó, nên CO2 cần được tách ra càng nhiều càng tốt

bằng nước Nguyên lý của phương pháp này là cho khí tiếp xúc ngược chiều với nước trong đó, khí đi từ dưới lên, còn nước chảy từ trên xuống Để tăng cường sự tiếp xúc của khí và nước, sử dụng các vật liệu trơ như gỗ, đá để làm đệm Để cố định lớp đệm trong bên trong tháp, dùng một đĩa đục lỗ, đặt ở phần dưới của tháp

Trang 24

20

Trong các tháp hấp thụ đệm, bề mặt tiếp xúc khí phản ứng và chất lỏng rất lớn trong thể tích nhỏ Chất lỏng chảy trên bề mặt đệm ở dạng màng mỏng, khí chuyển động ngược chiều với pha lỏng Vật liệu tháp và tháp đệm xác định bởi tính chất của khí, chất lỏng, sản phẩm của phản ứng, các điều kiện làm việc (nhiệt độ, áp suất)

Tháp hấp thụ kết cấu đơn giản có thể tạo từ vật liệu chịu được các điều kiện phản ứng, chống được ăn mòn của môi trường, vì vậy các tháp này khá rẻ, trở lực thủy lực nhỏ nên tiêu tốn năng lượng để vận chuyển khí Hiện nay các tháp hấp thụ loại đệm được sử dụng rộng rãi

Tháp đệm có các phần tháp, đệm, đĩa và bộ phận tưới

- Tháp: là khối trụ rỗng cấu tạo từ vật liệu ứng với các điều kiện làm việc

- Đệm: sử dụng để tạo bề mặt tiếp xúc lớn giữa khí-lỏng Sự làm việc bình

thường của tháp phụ thuộc vào việc chọn vật liệu và dạng hình học của đệm Tiêu chuẩn của đệm: bề mặt riêng lớn, thể tích tự do, lớn, đủ nhẹ, bền cơ học, rẻ Đệm có trở lực thủy lực nhỏ đối với pha khí và thấm ướt chất lỏng tốt Đệm có thể sắp đặt trật tự hoặc không trật tự ở trong tháp

2

1

5 4

6 3

7

Hình 3 - 4 Thiết bị tách CO2

1-Van đưa khí Biogas ra; 2-Thân thiết bị; 3-Lối vào của nước; 4-Vòi phun nước; 5-Đệm; 6-Van đưa khí Biogas vào; 7-Lối ra của nước

Trang 25

21

Hình 3 - 5 Mô hình thiết bị hấp thụ CO2 Với cấu tạo của tháp đã đáp ứng được yêu cầu làm việc cầu tháp:

Độ kín của tháp đảm bảo không thất thoát khí

Đỉnh tháp có độ cao và không gian đủ lớn để tách nước ra khỏi khí

Tránh được khả năng bị ngập tháp khi lưu lượng nước quá lớn

Đáy tháp có cấu tạo của van thủy lực có chiều cao cột nước đủ lớn để tránh trường hợp biogas thoát ra cùng với dòng nước

3.1.3 Hệ thống thiết bị xử lý khí biogas

Khí Biogas từ hầm đầu tiên được đưa vào thiết bị tách nước sơ bộ Sau đó khí biogas khí đi qua thiết bị hấp phụ với vật liệu hấp phụ là phoi sắt hấp phụ tách

H2S Hệ thống thiết bị hấp phụ tách H2S gồm hai tháp một tháp hoạt động, còn tháp

học dựa trên phản ứng sau :

Fe2O3 + 3H2S → Fe2S3 + 3H2O

Fe3O4 + 4H2S → FeS + Fe2S3 + 4H2O FeO + H2S → FeS + H2O

khi tạo oxit bằng cách đốt rồi được nén tạo hình, thời gian thay đổi chế độ làm việc của hai tháp được điều khiển bởi hệ thống van, khi bão hòa của phoi sắt (tức là dựa

phoi sắt để ngoài không khí thì nó được tái sinh theo phản ứng:

2Fe2S3 + 3O2 → 2Fe2O3 +6S FeS + 3/2O2 → FeO+ S

Trang 26

22

Lưu huỳnh sẽ được rửa sạch bằng nước Khí Biogas được tách hầu như triệt

để H2S tiếp tục được đưa vào thiết bị hấp thụ CO2 Thiết bị hấp thụ CO2 ở trong được đổ đệm, lưu lượng nước đi vào tháp có thể điều khiển được bằng độ mở của van Tháp hoạt động theo nguyên tắc trao đổi ngược chiều, khí đi từ dưới lên, lỏng

đi từ trên xuống thực hiện quá trình tiếp xúc pha trên bề mặt đệm, quá trình hấp thụ

CO2 trong nước là quá trình hấp thụ vật lý theo phản ứng: CO2 + H2O = H2CO3

chăn nuôi, bên cạnh đó cần bổ sung lượng nước mới Như vậy nước ở bể chứa luôn

ở trong thái cân bằng, nước này được bơm lên bể trên, tại bể này ta dung bơm sục

điều khiển lưu lượng

Khí Biogas sau khi đi ra khỏi tháp hấp thụ được đưa vào bình điều áp, bình này có tác dụng vừa tách nước vừa ổn định áp suất để chạy động cơ

12 15

Hình 3 - 6 Sơ đồ công nghệ lọc khí biogas

1-Thân hầm biogas;2-Ống dẫn;3-Bể nạp 4-Vùng chứa khí biogas;5-Ống dẫn khí biogas;6-Bể điều áp;7-Van xả tràn;8-Van tổng;9-Thùng chứa phoi sắt;10-Đường ống nước rửa lọc;11-Bình lọc H 2 S;12-Phoi sắt;13-Đường ống gió;14-Lỗ thoát nước;15-Bình lọc CO 2 ;16-Bể nước;17-Đường nước tràn;18-Bơm nước

Nguyên lý làm việc của hệ thống: Khí Biogas từ hầm chứa rất nhiều thành phần khí được ổn định áp suất và lưu lượng thông qua bể điều áp, sau đó được dẫn vào thiết bị hấp thụ và H2S được hấp thụ trên bề mặt phoi sắt Sau khi qua thiết bị hấp thụ thì hỗn hợp khí chứa H2S với tỷ lệ rất thấp và được đưa vào thiết bị hấp thụ

Trang 27

23

điều áp để ổn định áp suất trước khi vào động cơ Sau khi được lọc hỗn hợp khí

ba ngã; 13-Đồng hồ đo áp; 14-Đầu nối; 15-Van đầu bình; 16-Bình tích khí nén;

17 Giá đỡ cố định bình chứa khí nén; 18-Van xả khí/ nước; 19-Động cơ điện; 20- Động cơ nén

3.2 Quá trình lưu trữ để bảo đảm an toàn cho nhiên liệu

Hình 3 - 8 Bình lưu trữ Biogas nén

1-Bình chứa khí Biogas;2-Cần khoá gas;3-Van điều áp;4-Cụm van nạp, van xả an toàn;5-Đồng hồ đo áp suất khí

Trang 28

24

Để đảm bảo áp suất khí biogas được ổn định trước khi nạp vào động cơ, tiện cho việc cất giữ, luân chuyển và sự dụng cần phải thiết kế hệ thống lưu trữ Biogas

Bình chứa khí Biogas: Có nhiệm vụ chứa khí, đảm bảo cấp khí đủ cho động

cơ hoạt động trong một thời gian nhất định

Cần khoá gas: Mở khí cấp vào động cơ khi sử dụng và đóng khi động cơ ngừng làm việc đảm bạo khí không bị tổn thất ra ngoài

Van điều áp: Ổn định áp suất khí trước khi vào động cơ

Van an toàn: Thực hiện chức năng an toàn khi áp suất trong bình chứa tăng cao, vượt quá giới hạn cho phép

Van nạp: Có nhiệm vụ để nạp vào bình khí khi áp suất trong bình bé hơn áp suất sử dụng

Đồng hồ đo áp suất khí: Đo áp suất khí trong bình

4 Các phương án cải tạo động cơ

4.1 Phương án cải tiến động cơ chạy lưỡng nhiên liệu biogas – diesel, dùng diesel làm nhiên liệu mồi

Phương án này việc đánh lửa thực hiện bằng sự tự cháy của một lượng nhỏ nhiên liệu diesel được phun trước khi piston đến điểm chết trên Việc điều chỉnh công suất được thực hiện bằng cách điều chỉnh thể tích khí biogas nạp vào xilanh còn nhiên liệu mồi vẫn giữ cố định trong suốt quá trình hoạt động của động cơ

Phương án thiết kế này phải thực hiện các bước sau:

- Thiết kế van cung cấp biogas

- Thiết kế bộ hòa trộn

- Thiết kế cơ cấu điều chỉnh lượng phun diesel làm mồi

- Thiết kế bộ điều tốc biogas

4.1.1 Thiết kế van cung cấp biogas (van tiết lưu)

4.1.1.1 Nhiệm vụ

+ Tăng công suất của động cơ phù hợp với tải bằng cách làm đậm hòa khí biogas và không khí

kiện tải của động cơ và hệ thống bằng cách thay đổi lưu lượng biogas nạp vào động cơ

4.1.1.2 Yêu cầu

+ Kích thước của van phù hợp với yêu cầu lượng biogas cần nạp vào

Trang 29

4.1.2.2 Yêu cầu

Để tạo được thành phần hỗn hợp tốt thì bộ hốn hợp cần có các yêu cầu sau: -Cản trở của bộ hốn hợp với dòng khsi là bé nhất

-Hòa trộn đều tạo nên hỗn hợp tương đối đồng nhất

-Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, dễ sửa chửa và có giá thành thấp

4.1.3 Thiết kế cơ cấu hạn chế lượng phun diesel làm mồi

4.1.3.1 Nhiệm vụ

Hạn chế lượng phun diesel làm mồi ở một giá trị cố định (5% năng lượng

diesel làm mồi), tức là cô lập hoạt động của bộ điều tốc diesel

4.1.3.2 Yêu cầu

+ Cơ cấu hoạt động ổn định ở chế độ không tải khi sử dụng nhiên liệu diesel + Hoạt động giống như một van tắt máy khi cần thiết

+ Có thể tăng lượng diesel khi cần thiết

+ Dễ chế tạo, dễ điều chỉnh, hoạt động tin cậy, bảo dưỡng dễ dàng

4.1.4 Thiết kế bộ điều tốc biogas

+ Điều khiển lưu lượng biogas cung cấp chính xác theo tải của động cơ và hoạt động ổn định nếu như tải bên ngoài ổn định

+ Hoạt động độc lập giống như bộ điều tốc diesel và dễ dàng phối hợp hoạt động cùng với bộ điều tốc diesel

+ Thuận tiện khi động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu (diesel + biogas) và khi động cơ sử dụng hoàn toàn diesel

+ Kết cấu đơn giản, nhỏ gọn, dễ chế tạo, dễ tháo lắp, bảo dưỡng thuận tiện, tuổi thọ cao

4.2 Phương án cải tiến động cơ sang chạy 100% Biogas, đánh lửa cưỡng bức bằng bugi

Phương án cải tạo động cơ sang chạy 100% biogas bằng cách thiết kế để thay thế vào vị trí vòi phun diesel bằng một bugi đánh lửa và phải thay đổi tỷ số nén động cơ cho phù hợp Phương án cải tạo này phải thực hiện các bước sau:

- Thay đổi tỷ số nén động cơ khi dùng hoàn toàn biogas

- Thiết kế hệ thống đánh lửa

Trang 30

26

4.2.1 Thay đổi tỷ số nén động cơ

Không khí của quá trình nén của động cơ Diesel đòi hỏi phải được nén ở áp suất thấp và nhiệt độ rất cao để cuối quá trình nén, khi phun nhiên liệu vào thì hỗn hợp có thể tự bốc cháy Do đó động cơ Diesel có tỉ số nén cao hơn các động cơ khác Việc nén động cơ gas không nên đạt tới mức độ có thể sinh ra hiện tượng hỗn hợp khí công tác tự bốc cháy vì sẽ gây ra cháy kích nổ của nhiên liệu Do đó khi cải

tiến động cơ Diesel sang sử dụng khí nhiên liệu, chúng ta nên giảm tỉ số nén

4.2.2 Thiết kế hệ thống đánh lửa

Phải thiết kế lắp bugi vào vị trí của vòi phun cũ sao cho phải đảm bảo những điều kiện: - Đảm bảo đánh lửa hiệu quả, an toàn

- Đảm bảo độ kín khín, không để cho khí trong buồng cháy lọt ra ngoài

- Dễ dàng tháo lắp, kiểm tra

Để đảm bảo được những điều kiện trên thì trước hết phải làm sao cho hình dáng bao ngoài của bugi gần giống với vòi phun cao áp Để tránh tiếp xúc với nước làm mát ở nắp máy, ta sẽ lắp bugi vào trong cốc lót áo nước bằng đồng Vì vậy phải

ta rô lỗ ren ở phần cuối của cốc đồng này (chỗ vặn bugi vào), ren của phần ta rô này phải cùng bước ren với bugi Sau đó để làm kín, tránh cho lọt khí từ buồng cháy lên,

và cố định chắc chắn bugi trong nắp máy cần phải có ống chặn để tỳ vào bugi

4.3 So sánh các phương án cải tạo

Bảng 4 – 1 Bảng so sánh các phương án cải tạo

-Phải thiết kế thêm bộ điều tốc cho động cơ chuyển đổi

- Vẫn còn phải tiêu tốn nhiên liệu diesel để làm mồi

Đốt cưỡng

bức bằng bugi

- Có thể lựa chọn tỷ số nén tối ưu cho phù hợp với loại nhiên liệu biogas

- Tiết kiệm nhiên liệu truyền thống

- Thay đổi tỷ số nén làm giảm hiệu suất động cơ

- Phải thiết kế thêm hệ thống đánh lửa cho động cơ chuyển đổi

Để động cơ có thể chuyển sang chạy bằng diesel sau khi cải tạo nên ta chọn phương án lưỡng nhiên liệu với diesel phun mồi để thiết kế cho động cơ cần cải tạo

Trang 31

Thiết kế hệ thống lƣỡng nhiên liệu biogas – diesel cho động cơ 1 xilanh

27

5 Khảo sát đặc điểm kết cấu và tính toán nhiệt động cơ EV2600-NB

5.1 Giới thiệu chung về động cơ khảo sát

5.1.1 Đặc điểm kết cấu của động cơ

Động cơ EV2600-NB là động cơ sử dụng nhiên liệu diesesel do công ty máy nông nghiệp Miền Nam – Vikyno sản suất; đƣợc lắp đặt trên cùng cụm máy phát điện MF1120S + EV2600-NB

Động cơ EV2600-NB là loại động cơ 1 xylanh, 4 kỳ máy đặt nằm ngang và

20 21 22 23

Trang 32

28

Bảng 5-1 Thông số kỹ thuật động cơ EV2600-NB

5.1.2 Khảo sát hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ EV2600-NB

5.1.2.1 Giới thiệu chung

Chứa nhiên liệu dự trữ, đảm bảo cho động cơ hoạt động liên tục trong một khoảng thời gian quy định

Lọc sạch nước và tạp chất cơ học lẫn trong nhiên liệu

Cung cấp lượng nhiên liệu cần thiết cho mỗi chu trình ứng với chế độ làm việc quy định của động cơ

Cung cấp nhiên liệu vào xi lanh động cơ đúng lúc theo một quy luật đã định Đảm bảo phun tơi và phân bố đều hơi nhiên liệu trong thể tích môi chất trong buồng cháy bằng cách phối hợp chặt chẽ hình dạng, kích thước và phương hướng

Trang 33

29

của các tia nhiên liệu với hình dạng buồng cháy và cường độ vận động của môi chất trong buồng cháy

Tạo áp suất cao trong hệ thống cung cấp nhiên liệu

5.1.2.2 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ EV2600-NB

8 9

10 11

12

13

14

1

Hình 5 - 2 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ EV2600-NB

1-Ống xả; 2-Vòi phun; 3- Ống cao áp; 4- Piston; 5- Xilanh; 6- Ống nhiên liệu thừa; 7-Bình nhiên liệu;8- Bầu lọc nhiên liệu; 9- Bơm cao áp;10-Thanh răng bơm cao áp; 11-Xupap; 12-Nắp xilanh; 13-Lò xo xupap;14-Đòn bẩy

Khi bơm cao áp (9) làm việc (piston đi xuống) thì nhiên liệu sẽ được hút từ thùng qua bầu lọc (8), ở đây nhiên liệu được lọc sạch và đi vào xilanh bơm cao áp Nhiên liệu đi vào xilanh bơm cao áp không được lẫn không khí vì không khí sẽ làm cho lượng nhiên liệu nạp vào của bơm không ổn định, thậm chí còn làm gián đoạn quá trình cấp nhiên liệu Khi piston đi lên, nhiên liệu tràn về thùng qua cửa tràn, đến khi piston đi lên che mép trên của cửa nạp tràn thì phần nhiên liệu còn lại này sẽ nhận được áp suất cao, khi áp suất của nhiên liệu này đủ lớn để mở van cao áp thì nhiên liệu sẽ đi vào đường ống cao áp (3) rồi đến vòi phun Tại khoang nâng kim phun, khi áp suất nhiên liệu đạt đến giá trị đủ để thắng lực lò xo thì kim phun được nâng lên, dầu sẽ được phun tơi vào buồng cháy ở nắp máy Phần nhiên liệu rò rỉ qua kim phun và thân kim phun sẽ được dẫn theo đường dầu hồi (6) về thùng

Trang 34

30

5.2 Tính toán nhiệt động cơ EV2600-NB

5.2.1 Tính toán nhiệt động cơ EV2600-NB khi sử dụng diesel

5.2.1.1 Thông số kỹ thuật động cơ

Bảng 5-2 Bảng thông số kỹ thuật động cơ EV2600-NB

Bảng 5-3 Bảng thông số chọn tính toán của động cơ EV2600-NB

Trang 35

2 1

2

0882 , 0

104 , 0 1 11 , 1 03 , 1 5 , 16

1

0882 , 0

104 , 0 750

) 20 298 (

1

1 )

a r r

k r

p p p

p T

T T

a k

k v

p

p p

p ) T T (

T ) 1 (

1

104,0.1.11,103,1.5,16.098,0

0882,0.20298

298

15,16

p

pT TT

T

r

m 1 m

r

a r r t K

104,0

0882,0.750.0317,0.11,120298

5 , 1 1 , 1

O 4

H 12

C ( 21 , 0

1

4946 , 0 32

004 , 0 4

126 , 0 12

87 , 0 21 , 0

Trang 36

32

43031 , 20 298 2

00419 , 0 806 , 19

v v

634,1867,

36,18438,

v v

,20

1

a a a

882,20.0317,0806,19

1

b.bb

10 5426 0317 , 0 00419 ,

v v

0 8392 ,

b4 Tính chỉ số nén đa biến trung bình n1:

)1(

T2

ba

314,81

n

1 n a v v

Trang 37

126 , 0 32

82302 , 0

0317,01

0317,00399,1

7,0.0317,01

10399,11.1

7,

2

b a C

z v

o z v

vz

x M x

M

x M a x

M a

1 2

0317 , 0 8235 , 0 82302 , 0

8235 , 0 1 7914 , 0 8392 , 19 0399 , 1

0317 , 0 8235 , 0 82305 , 0 882

Trang 38

34

 

 z

1 o

r z 2

z 1 v o z 2 v vz

x1Mx

M

x1M.bx

M.bb

0317 , 0 8235 , 0 82305 , 0

8235 , 0 1 7914 , 0 10 4228 0399

, 1

0317 , 0 8235 , 0 82305 , 0 10

0 7143 , 20

c7 Nhiệt độ cực đại của chu trình Tz (K):

Nhiệt độ cực đại tính theo phương trình cháy:

r 1

H z

T '' C m T ).

314 , 8 C m ( 1

M

Q

H z

T T

b a M

Q

2

( ) 1 (

0 8392 , 19 0317 , 0 1 7914 , 0

42530 7 , 0

c8 Áp suất cực đại chu trình pz

Trang 39

35

8 , 933

44 , 1964 6 , 1

0318 ,

5,

d3 Kiểm nghiệm lại trị số n2:

Chọn trước n2 thế vào phương trình sau, xác định n2 bằng phương pháp gần đúng

z vz b z r 1

H H

z b 2

T T 2

b a T T 1 M

) Q Q

.(

314 , 8 1

44,1964

1 2111 , 1 1

b

T T

d5 Áp suất cuối quá trình giãn nở pb (MN/m2):

16148,12

54,6

211 , 1

 n z b

p p

104,0.3,

1 5 , 1 1

b

r b rtênh

p

p T

750

750 23 ,

T

T T

c i

1 2

11.1n

11

1.1n)1(.1

p'

Trang 40

11

.13684,1

11648

,12

11

.1211,1

3567,1.6,113567,1.6,1.15

298 73738 , 0 7914 , 0 314 , 8

.

314 ,

k i i

p Q

T p M

3600000



i H i

30

2200.108,

Với động cơ Diesel buồng cháy thống nhất có i =1 ta chọn: a = 0,09; b = 0,012

Khi đó : pm = 0,09 + 0,012.7,92 + 0,104 – 0,0882 = 0,20084 (MN/m2) f2 Áp suất có ích trung bình (MN/m2):

p e  p i p m  0 , 73738  0 , 20084  0 , 53654 (MN/m2)

f3 Hiệu suất cơ giới (%):

73738 , 0

53654 ,

2 , 209

g g

Định dạng
Số trang	104
Dung lượng	3,18 MB