Chuong 5 nhien lieu khí gaseous fuels 1

• Nhiên liệu khí sử dụng trên động cơ: • Khí thiên nhiên Natural Gas, NG • Khí dầu mỏ hóa lỏng Liquefied Petroleum Gas, LPG • Khí sinh học biogas • Các loại khí này có thể sử dụng l

NHIÊN LIỆU, DẦU MỠ &

Chương 5 Nhiên liệu Khí

Gaseous Fuels

Động cơ sử dụng nhiên liệu khí

• 1860, E Lenoir (1822 – 1900)

chế tạo động cơ sử dụng

nhiên liệu khí đầu tiên

• Động cơ này có thiết kế

tương tự động cơ chạy bằng

hơi nước

• Công suất 2 kW, tiêu hao

4 m3 khí/kWh

• Dễ lắp đặt và vận hành

hơn so với động cơ chạy

bằng hơi nước

• Nhiên liệu khí sử dụng trên động cơ:

• Khí thiên nhiên (Natural Gas, NG)

• Khí dầu mỏ hóa lỏng (Liquefied Petroleum Gas, LPG)

• Khí sinh học (biogas)

• Các loại khí này có thể sử dụng làm nhiên liệu cho các thiết

bị và nhà máy nhiệt điện, làm nguyên liệu cho quá trình hóa dầu để tổng hợp các chất hữu cơ và sản phẩm hóa dầu cơ bản hoặc dùng cho nhu cầu sinh hoạt gia đình

Giới thiệu chung

NG: Natural Gas

CNG: Compressed Natural Gas LNG: Liquefied Natural Gas

• Khí thiên nhiên là hỗn hợp của các khí hydrocarbon và không hydrocarbon hình thành trong các lớp xốp dưới lòng đất

• Thành phần chính là methane (>90%), ngoài ra còn lượng nhỏ các thành phần hydrocarbon có phân tử lượng cao hơn

và một số khí không thuộc loại hydrocarbon như nitơ, CO2,

H2S, He…

• NG là khí không màu, mùi nhẹ giống như xăng

• Khí thiên liên có thể chia làm các loại:

• Khí không đồng hành: các mỏ khí nằm dưới lòng đất

• Khí đồng hành: khí tự do nằm trong các mỏ dầu

• Khí hòa tan: là khí tan trong dầu thô nằm dưới các mỏ dầu

Khí thiên nhiên (Natural Gas)

Nhiệt độ đông đặc ( o C) -182

Nhiệt độ sôi ( o C) -162

Nhiệt ẩn hóa hơi (kJ/kg) 509

Nhiệt độ tự cháy ( o C) 540

A/F (kg KK/kg nhiên liệu) 17.23

Giới hạn % thể tích

Giới hạn dưới

Giới hạn trên 5 15

• Khí thiên nhiên nén (Compressed Natural Gas, CNG): Khí thiên nhiên được nén ở áp suất cao, các áp suất thường sử dụng là 2400 psi (165,5 bar), 3000 psi (206,9 bar), 3600 psi (248,2 bar) chứa trong các bình chứa cao áp mắc song song

• Khí thiên nhiên hóa lỏng (Liquefied Natural Gas, LNG): Khí thiên nhiên được làm lạnh ở nhiệt độ rất thấp –1610C ở áp suất không khí để chuyển sang trạng thái lỏng và chứa trong các bình được cách nhiệt tốt

• Cùng một năng lượng như nhau, khí thiên nhiên hóa lỏng LNG có thể tích và khối lượng bình chứa nhỏ hơn khi nó ở dạng khí CNG (thường tỷ lệ 1:3 đối với thể tích và 1:3,7 đối với khối lượng)

CNG và LNG

Đặc tính CNG và LNG

Nhiệt độ ( o C) Nhiệt độ môi trường -162

Mật độ năng lượng (MJ/lít)

21.1 (67% mật độ xăng)

Phương trình cháy hỗn hợp Metan (CH4)/ không khí

Phương trình cháy NG và không khí

• Nguồn cung cấp ổn định, có nguồn dự trữ lớn, có nhiều

mỏ khí và nhà máy sản xuất NG

• Thành phần sản phẩm cháy gây ô nhiễm môi trường của

NG ít hơn so với xăng và diesel

• Rất nhiều thiết bị an toàn cả về mặt cơ khí và điện tử để bảo đảm tính an toàn trong khi động cơ hoạt động hoặc ngay cả khi không hoạt động hoặc bị tai nạn

• Các bình chứa NG cũng được kiểm tra nghiêm ngặt ở áp suất cao hơn áp suất chứa tiêu chuẩn của nhiên liệu, có thể lên đến gấp 3 lần (600 bar)

• Tuổi thọ động cơ cao, không có chì, ít ô nhiễm, ít mài mòn, không có hiện tượng rữa sạch màng dầu bôi trơn

• Tỷ số nén của động cơ nhiên liệu NG cao

Ưu điểm khi sử dụng NG

• Bình chứa CNG: nặng, đắt, yêu cầu kỹ thuật cao

• Hệ thống nhiên liệu LNG nhẹ hơn CNG LNG có mật độ năng lượng cao hơn CNG nhưng cũng chỉ bằng khoảng 2/3 của xăng, diesel và LNG lưu trữ ở nhiệt độ rất thấp nên bình chứa nhiên liệu phải cách nhiệt rất tốt

• Cơ sở hạ tầng cung cấp CNG và LNG vẫn còn rất hạn chế

• Chi phí cho sản xuất một đơn vị năng lượng CNG lớn hơn

Thành phần chi phí sản xuất nhiên liệu

• CNG có thể sử dụng trên động cơ đốt trong (ĐCĐT) thay cho nhiên liệu xăng và diesel, có thể sử dụng độc lập hay hỗn hợp đa nhiên liệu trên ĐCĐT

• Trong thực tế, các ĐCĐT hiện nay thiết kế để sử dụng nhiên liệu xăng hay diesel, do đó việc sử dụng nhiên liệu CNG cho ĐCĐT thì không phù hợp

• Có thể chế tạo ra một động cơ chuyên dùng cho CNG hoặc có thể cải tạo động cơ xăng, diesel hiện có cho phù hợp với đặc tính của nhiên liệu CNG

Động cơ sử dụng CNG

• HTNL CNG đơn là hệ thống chỉ sử dụng duy nhất nhiên liệu CNG

• Động cơ cải tiến sử dụng HTNL CNG đơn tháo bỏ toàn bộ HTNL cũ và lắp đặt toàn bộ HTNL CNG

• Các bộ phận tháo bỏ: Bình chứa xăng, đường ống dẫn xăng, bơm xăng, lọc xăng, bộ chế hòa khí, đồng hồ báo xăng, bơm xăng…

• Các bộ phận lắp đặt: Bình chứa nhiên liệu CNG, bộ giảm

áp – hóa hơi, bộ trộn, đường ống dẫn nhiên liệu CNG, van

an toàn, van vận hành, đồng hồ hiển thị

Hệ thống nhiên liệu CNG đơn

Hệ thống nhiên liệu CNG đơn

• Ưu điểm của HTNL CNG đơn

• HTNL đơn giản, việc bố trí, lắp đặt lên động cơ dễ dàng

và có thể tối ưu hóa HTNL động cơ

• Do chỉ sử dụng một HTNL nên việc vận hành đơn giản, không phức tạp

• Nhược điểm của HTNL CNG đơn

• Mật độ năng lượng của CNG thấp nên các bình chứa CNG có khối lượng lớn và chiếm nhiều không gian

• Khó khăn trong việc tiếp nhiên liệu khi cơ sở hạ tầng cung cấp CNG vẫn còn rất hạn chế

Hệ thống nhiên liệu CNG đơn

• Các bộ phận lắp đặt thêm: Toàn bộ HTNL CNG như HTNL CNG đơn, ngoài ra cần phải thêm các van đóng mở nhiên liệu xăng và CNG khi ta cần thay đổi loại nhiên liệu

sử dụng trên động cơ

Hệ thống nhiên liệu CNG song song

Động cơ sử dụng HTNL song song

Động cơ sử dụng HTNL song song

Động cơ sử dụng HTNL song song

• Ưu điểm của HTNL lỏng và CNG song song

• HTNL lỏng và CNG song song có khả năng dự trữ năng lượng trên động cơ lớn hơn so với HTNL CNG đơn

• HTNL lỏng và CNG song song khắc phục được tình trạng tiếp nhiên liệu do sự hạn chế về cơ sở hạ tầng của CNG

• Nhược điểm của HTNL lỏng và CNG song song

• Cấu tạo động cơ trở nên phức tạp, rất khó khăn trong việc lắp đặt bố trí HTNL mới, giá thành tăng

• Phải tính toán, thiết kế cho động cơ làm việc tương đối

ổn định ở cả hai loại nhiên liệu Khó khăn trong việc vận hành, bảo trì, sửa chữa động cơ

Hệ thống nhiên liệu CNG song song

• Thực tế ứng dụng nhiên liệu khí CNG trên phương tiện GTVT tại Việt Nam như thế nào?

• Những thuận lợi và khó khăn khi sử dụng nhiên liệu khí CNG tại Việt Nam?

• Tại Việt Nam, nên ứng dụng nhiên liệu khí CNG cho loại phương tiện nào?

• Ngành công nghệ ô tô đóng vai trò gì trong việc ứng dụng nhiên liệu khí CNG tại Việt Nam?

Thảo luận

LPG: Liquidfied Petroleum Gas

• Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) thu được từ quá trình điều chế biến dầu mỏ, được hóa lỏng, bao gồm hỗn hợp các hydrocarbon khác nhau

• Thành phần hóa học chủ yếu của LPG là hỗn hợp gồm các hydrocacbon no họ ankan là propan (C3H8) và butan (C4H10) được nén theo tỷ lệ %Propane/%Butane

• Ngoài ra còn có thêm các thành phần khác như

iso-butan, buten, propen, mecaptan

• Trong thực tế, thành phần các chất có trong LPG không thống nhất Tùy theo tiêu chuẩn các nước, mà tỷ lệ thành phần trong LPG khác nhau, từ 50/50 hay 30/70 hoặc có thể lên đến 95/5

Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG)

• Iso-butan là một đồng phân của Butan có cùng công thức phân tử C4H10 nhưng có công thức cấu tạo khác nhau

• Propen (C3H6) và Buten (C4H8) là các Hydrocacbon chưa no

họ Anken

• Mecaptan là một chất làm cho khí hóa lỏng LPG có mùi đặc trưng vì thường LPG là không màu, không mùi

Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG)

Phương trình cháy hỗn hợp Propan (C 3 H 8 )/ không khí

Phương trình cháy khí LPG

Đặc tính khí dầu mỏ hóa lỏng

Khối lượng phân tử (g/mol) 44 58

Khối lượng riêng (kg/l) 0.51 0.58

Nhiệt độ sôi ( o C) -43.7 0.9

Nhiệt độ tự cháy ( o C) 510 490

Nhiệt trị thấp (MJ/kg) 46.40 45.46

A/F (kg KK/kg nhiên liệu) 15.6 15.45

Giới hạn % thể tích

Giới hạn dưới

Giới hạn trên 2.1 9.5 1.5 8.5

Thành phần chủ yếu của LPG là Propan và Butan nên đặc tính của LPG chủ yếu do Propan và Butan quyết định

• Nguồn cung cấp ổn định, có nguồn dự trữ lớn, có nhiều

• Tuổi thọ động cơ cao, do LPG có đặc tính chống kích nổ cao và không có chì, ít ô nhiễm, ít mài mòn, không có hiện tượng rửa sạch màng dầu bôi trơn

• Sản xuất đơn giản và an toàn hơn trong khâu sản xuất Chi phí sản xuất nhiên liệu và chi phí sử dụng nhiên liệu LPG thấp hơn xăng, diesel và CNG

Ưu điểm khí dầu mỏ hóa lỏng

• Vì được nén ở áp suất cao nên bình chứa nhiên liệu LPG có thành dày hơn, khối lượng lớn hơn và yêu cầu kỹ thuật rất khắt khe so với bình chứa xăng, diesel

• LPG có mật độ năng lượng thấp hơn xăng và diesel

• Cơ sở hạ tầng cung cấp LPG vẫn còn rất hạn chế nên việc tiếp nhiên liệu cho động cơ gặp nhiều khó khăn

• Thói quen sử dụng nhiên liệu mới còn hạn chế

• Chính sách khuyến khích sử dụng các nhiên liệu mới giảm

ô nhiễm môi trường, hạn chế phụ thuộc vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch của thế giới vẫn còn rất hạn chế

Nhược điểm khí dầu mỏ hóa lỏng

• Dân dụng và thương mại: Nấu ăn, sưởi ấm, đèn gas trong các hộ dân, các cửa hàng ăn uống, các khách sạn…

• Công nghiệp và nông nghiệp: Sấy thực phẩm, nung gốm

sứ, ấp trứng, hàn cắt, thanh trùng dụng cụ y tế, chai, lon…

• Động cơ, ô tô: Nhiên liệu cho các động cơ và các loại xe

• Phát điện: Chạy máy phát điện, turbin

• Hóa dầu: Sản xuất etetylen, propylen, butadiene cho ngành nhựa và đặc biệt là sản xuất MTBE là chất làm tăng chỉ số Octan

Ứng dụng khí dầu mỏ hóa lỏng

Trạm nạp LPG

• LPG có thể sử dụng trên động cơ đốt trong (ĐCĐT) thay cho nhiên liệu xăng và diesel, có thể sử dụng độc lập hay hỗn hợp đa nhiên liệu trên ĐCĐT

• Trong thực tế, các ĐCĐT hiện nay thiết kế để sử dụng nhiên liệu xăng hay diesel, do đó việc sử dụng nhiên liệu LPG cho ĐCĐT thì không phù hợp

• Có thể chế tạo ra một động cơ chuyên dùng cho LPG hoặc

có thể cải tạo động cơ xăng, diesel hiện có cho phù hợp với đặc tính của nhiên liệu LPG

• Việc chế tạo động cơ mới sử dụng LPG có ưu điểm là phát huy đến mức cao nhất các đặc tính của LPG để đạt được các chỉ tiêu về kỹ thuật, kinh tế và môi trường

Đặc điểm động cơ sử dụng LPG

• Việc chế tạo động cơ mới phải nghiên cứu, thiết kế, thử

nghiệm, đầu tư dây truyền công nghệ…những vấn đề trên đòi hỏi mất nhiều thời gian và kinh phí

• Để khắc phục những hạn chế của việc chế tạo động cơ mới sử dụng LPG một giải pháp cần được xem xét là cải tạo kết cấu ĐCĐT sẵn có để thích hợp chạy nhiên liệu LPG

• Khi cải tạo động cơ dùng nhiên liệu lỏng sang sử dụng

LPG thì không cần thay đổi về mặt kết cấu nhưng công suất của động cơ giảm vì những đặc tính của LPG chưa được tận dụng triệt để trong động cơ dùng nhiên liệu lỏng

Đặc điểm động cơ sử dụng LPG

• HTNL LPG đơn là hệ thống chỉ sử dụng duy nhất nhiên liệu LPG

• Động cơ cải tiến sử dụng HTNL LPG đơn tháo bỏ tồn bộ HTNL cũ và lắp đặt tồn bộ HTNL LPG

• Các bộ phận tho bỏ: Bình chứa xăng, đường ống dẫn xăng, bơm xăng, lọc xăng, bộ chế hịa khí, đồng hồ bo xăng, bơm xăng…

• Các bộ phận lắp đặt: Bình chứa nhin liệu LPG, bộ giảm áp – hóa hơi, bộ trộn, đường ống dẫn nhin liệu LPG, van an toàn, van vận hành, đồng hồ hiển thị…

Động cơ sử dụng HTNL LPG đơn

• Ưu điểm của HTNL LPG đơn

• HTNL đơn giản, việc bố trí, lắp đặt lên động cơ dễ dàng

và có thể tối ưu hóa HTNL động cơ

• Do chỉ sử dụng một HTNL nên việc vận hành đơn giản, không phức tạp

• Nhược điểm của HTNL LPG đơn

• Mật độ năng lượng của LPG thấp nên các bình chứa LPG có khối lượng lớn và chiếm nhiều không gian

• Khó khăn trong việc tiếp nhiên liệu khi cơ sở hạ tầng cung cấp LPG vẫn còn rất hạn chế

Động cơ sử dụng HTNL LPG đơn

• HTNL lỏng và LPG song song là HTNL sử dụng cả hai loại nhiên liệu vừa xăng vừa LPG

• Động cơ sử dụng HTNL xăng và LPG song song không cần phải tháo bỏ HTNL cũ mà chỉ cần lắp đặt thêm HTNL LPG mới

• Các bộ phận lắp đặt thêm: Toàn bộ HTNL LPG như HTNL LPG đơn, ngoài ra cần phải thêm các van đóng mở nhiên liệu xăng và LPG khi ta cần thay đổi loại nhiên liệu sử dụng trên động cơ

HTNL Lỏng - LPG song song

HTNL Lỏng - LPG song song

• Ưu điểm của HTNL lỏng và LPG song song

• HTNL lỏng và LPG song song có khả năng dự trữ năng lượng trên động cơ lớn hơn so với HTNL LPG đơn

• HTNL lỏng và LPG song song khắc phục được tình trạng tiếp nhiên liệu do sự hạn chế về cơ sở hạ tầng của LPG

• Nhược điểm của HTNL lỏng và LPG song song

• Cấu tạo động cơ trở nên phức tạp, rất khó khăn trong việc lắp đặt bố trí HTNL mới, giá thành tăng

• Phải tính toán, thiết kế cho động cơ làm việc tương đối

ổn định ở cả hai loại nhiên liệu Khó khăn trong việc vận hành, bảo trì, sửa chữa động cơ

HTNL Lỏng - LPG song song

HTNL tạo hòa khí LPG kiểu hòa trộn khuyếch tán

HTNL tạo hòa khí kiểu phun LPG

• Những thuận lợi và khó khăn khi sử dụng nhiên liệu khí LPG tại Việt Nam?

• Làm thế nào để khuyến khích việc ứng dụng nhiên liệu khí LPG tại Việt Nam?

• Ngành công nghệ ô tô đóng vai trò gì trong việc ứng dụng nhiên liệu khí LPG?

Thảo luận

Khí sinh học (Biogas)

• Biogas được sản xuất từ quá trình phân hủy các chất hữu

cơ trong điều kiện hiếm khí Biogas gồm khoảng 60% CH4, gần 40% CO2 và dưới 1% H2S, N, CO, O

• Các loại chất thải có thể làm nguồn cung cấp cho quá trình sản xuất Biogas:

• Chất thải của con người

• Chất thải của động vật, gia súc, gia cầm

• Rác thải sinh hoạt, nông nghiệp, công nghiệp

Khí sinh học (Biogas)

• Biogas là nhiên liệu tái sinh, sử dụng Biogas làm nhiên liệu cho ĐCĐT sẽ chủ động được về nguồn nhiên liệu, không phụ thuộc vào tình hình biến động nhiên liệu trên thế giới

• Giảm đáng kể thành phần ô nhiễm từ khí thải động cơ, giảm hiện tượng hiệu ứng nhà kính, cải thiện môi trường

• Sử dụng khí Biogas không cần tốn chi phí vận chuyển và thuế nhập khẩu, khuyến khích đầu tư phát triển trong nước

• Công nghệ chế biến Biogas đơn giản, chi phí đầu tư cho thiết bị thấp, có thể sản xuất ở nhiều nơi

Ưu điểm khí sinh học

CO2: 35%

• Biogas còn là một khái niệm rất mới ở Việt Nam Việc sử dụng Biogas cho ĐCĐT cần có thời gian nghiên cứu sử dụng và phổ cập kiến thức cho người dân

• Cần tiến hành khử hơi nước, khử thành phần H2S trước khi đưa Biogas vào buồng cháy để tăng tuổi thọ cho động

cơ

• Hóa lỏng Biogas để lưu trữ, vận chuyển và bảo quản

• Khi sử dụng Biogas phải tiến hành cải tạo lại động cơ phù hợp với các đặc tính của nhiên liệu Biogas

• Khởi động động cơ bằng Biogas sẽ khó khi nhiệt độ môi trường thấp

Nhược điểm khí sinh học