Nghiên cứu mô phỏng đặc tính động cơ Diesel sử dụng nhiên liệu Diesel-Syngas

Mục tiều nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu chính của luận vãn là xây dựng mô hình động cơ diesel 1 xi-lanh để đánh giá đặc tính công suất, thông số tiêu biểu quá trình cháy và khí thải độn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

VŨ VĂN DÂN

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ DIESEL

SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DIESEL-SYNGAS

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Mã số: 60520116

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2019

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

VŨ VĂN DÂN

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ DIESEL

SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DIESEL-SYNGAS

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Mã số: 60520116

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2019

LỜI CẢM ƠN

Sau 10 tháng nghiên cứu, làm việc khẩn truơng, đuợc sụ động viên, giúp đỡ

và huớng dẫn tận tình của thầy giáo huớng dẫn: PGS TS Huỳnh Thanh Công,

luận văn của tôi với đề tài "Nghiên cứu mô phỏng đặc tính động cơ diesel sử

dụng syngas-diesel" đã hoàn thành

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

Thầy giáo PGS TS Huỳnh Thanh Công đã huớng dẫn, giúp đỡ hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thục hiện và hoàn thành luận văn

Ban giám hiệu Truờng Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố

Hồ Chí Minh, Phòng Đào tạo Sau đại học, các thầy giáo, cô giáo Khoa Kỹ thuật giao thông Truờng Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh đã hậu thuẫn, giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập cũng nhu quá trình nghiên cứu thục hiện luận văn

Các thành viên phản biện, các thầy giáo, cô giáo trong hội đồng chấm luận văn đã đọc, phê duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn thành luận văn

Các học viên cao học và sinh viên từ Nhóm nghiên cứu động cơ sủ dụng nhiên liệu khí tại PTN Trọng điểm ĐHQG-HCM Động cơ đốt trong

Cuối cùng, tôi xin gủi lời cảm ơn chân thành tới Phân Viện Khoa học hình

sụ, Viện Khoa học hình sụ - Bộ Công an, cùng toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và nguời thân đã quan tâm tạo điều kiện, động viên, giúp đỡ, hỗ trợ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận vãn

TP Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2019

HỌC VIÊN

Vũ Văn Dân

TÓM TẮT

Luận văn này đề cập đến việc đánh giá đặc tính của động cơ diesel sử dụng nhiên liệu diesel-syngas tỉ số nén cao duới các điều kiện vận hành khác nhau nhu: thay đổi tốc độ, thay đổi tỉ lệ H2/CO Nhiều nghiên cứu ứng dụng syngas trên động cơ đánh lủa cuỡng bức đã đuợc thục hiện trong và ngoài nuớc Tuy nhiên, động cơ tụ cháy do sức nén sủ dụng diesel-syngas còn ít đuợc nghiên cứu Việc nghiên cứu sụ thay đổi đặc tính động cơ này trong các điều kiện vận hành khác nhau sẽ góp phần đánh giá và tối uu điều kiện hoạt động của dòng động cơ này

Và góp phần nhận dạng tính khả thi của việc dùng nhiên liệu syngas trên động cơ công suất lớn trong tuơng lai tại Việt Nam

Trong luận văn này, động cơ diesel 1 xylanh 12,5HP là đối tuợng nghiên cứu chính Một mô hình động cơ đánh lủa cuỡng bức sủ dụng hỗn hợp biogas giả lập (H2/CO) đuợc thiết lập trên phần mềm AVL Boost ver.2013 vận hành với các thông số tiêu biểu nhu: tốc độ, tỉ lệ % H2/C0 Các đặc tính động cơ sủ dụng 50% Diesel và 50% Syngas với 3 tỷ lệ khác nhau của H2/CO (75%/25% 50%/50%,

và 25%/75%) đã đuợc thục hiện Các đặc tính động cơ tiêu biểu của động cơ sủ dụng nhiên liệu syngas thay thế diesel với tỉ lệ thay đổi từ 10% đến 50%, có đối chiếu so sánh với truờng hợp vận hành 100% diesel;

Qua kết quả đạt đuợc cho thấy khi thay thế diesel bằng syngas thì công suất

và mô-ment động cơ có sụ giảm Tuy nhiên, thành phần khí thải độc hại nhu (NOX, CO, khói) cũng giảm đáng kể, góp phần lớn trong công tác bảo vệ môi trường sống

ABSTRACT

The objective of this thesis is to evaluate the characteristics of high compression ratio biogas engine under different operated as: change of speed, change of H2/C0 ratio Most researches using biogas on spark ignition engines were reported However, compression ignition engines using biogas as fuel are rarely studied The study of the changing characteristics of the engine in various operating conditions will contribute to assess and optimize the operating conditions of the engine And contribute to identifying the feasibility of using biogas as fuel on high power engines in the future in Vietnam

In this thesis, one cylinder 12.5HP diesel engine is used to convert to operate with biogas One spark ignition engine model use simulated biogas mixture (H2/CO) is set on the software AVL Boost operating parameters such as: speed and rate % H2/C0 Engine performance characteristics are analyzed by operating with 50%Diesel and 50% Syngas Three ratios of H2/CO (75%/25% 50%/50%, and 25%/75%) are used Typical engine performance parameters are estimated with substitution of syngas in diesel from 10% to 50% in volume The obtained results are also used to compare with operation of 100% of diesel;

All obtained results showed the potential of syngas as fuel for internal combustion engine to reduce the exhaust emission gas (especial for NOx and Soot) with a slight decrease of engine power and engine torque

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là: Vũ Văn Dân

Sinh ngày 10 tháng 10 năm 1973

Học viên lớp Cao học 17 - Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh

Hiện đang công tác tại Phân Viện Khoa học hình sự tại Thành phố Hồ Chí Minh, Viện Khoa học hình sự - Bộ Công an

Xin cam đoan: Đề tài "Nghiên cứu mô phỏng đặc tính động cơ diesel sử

công trình nghiên cứu của riêng tôi Các dữ liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng

Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng khoa học và trước pháp luật

TP' Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2019

HỌC VIÊN

Vũ Văn Dân

PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Họ và tên: Vũ Văn Dân Ngày, tháng, năm sinh: 10/10/1973 Nơi sinh: Đồng Sơn, Nam Trực, Nam Định Địa chỉ liên lạc: Phân Viện Khoa học hình sự, 258 đường Nguyễn Trãi, phường Nguyễn Cư Trinh, Quận 1, Thành phố Hồ Chí Minh

Điện thoại: 0908111771

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO

Tháng 8 năm 1997 đến Tháng 6 năm 2002 là sinh viên hệ chính quy Viện Cơ khí Động lực, Đại học Bách Khoa Hà Nội

Tháng 6 năm 2016 đến tháng 4 năm 2018 bồi dưỡng cao cấp lý luận chính trị tại Học viện chính trị Khu vực II

Tháng 6 năm 2017 đến tháng 6 năm 2019 học viên sau Đại học tại trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh

QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC

Tháng 9 năm 2003 đến nay công tác tại Phân Viện Khoa học hình

sự tại Thành phố Hồ Chí Minh - Bộ Công an

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 5

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 6

1.4 Phương pháp nghiên cứu 6

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 6

1.6 Tổng quan về nhiên liệu syngas 7

1.6.1 Giới thiệu về nhiên liệu syngas 7

1.6.2 Nguyên liệu sản xuất syngas 9

1.6.3 Công nghệ chuyển hóa syngas 11

1.6.4 Ưu nhược điểm của khí syngas so với diesel truyền thống 16

1.7 Các nghiên cứu trong và ngoài nước 19

1.7.1 Các nghiên cứu trên thế giới liên quan đến động cơ sử dụng syngas 19

1.7.2 Các nghiên cứu trong nước 26

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 28

2.1 Cơ sở lý thuyết đánh giá đặc tính động cơ 28

2.1.1 Đặc tính công suất 28

2.1.2 Tiều hao nhiên liệu khi sử dụng lưỡng nhiên liệu 30

2.1.3 Năng lượng cung cấp ban đầu 30

2.1.4 Hiệu suất nhiệt 31

2.1.5 Xác định tỷ lệ nhiên liệu Diesel/syngas: 31

2.2 Các mô hình ứng dụng trong AVL Boost 31

2.2.1 Mô hình nhiệt động lực học 31

2.2.2 Mô hình cháy Vibe 2 zone 33

2.2.3 Mô hình truyền nhiệt 35

2.2.4 Mô hình thành khí thải 37

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG 40

3.1 Giới thiệu chung 40

3.2 Mô hình hóa đối tượng nghiên cứu 40

3.3 Xác định điều biện ban đầu và điều kiện biên cho mô hình mô phỏng 42

3.3.1 Điều kiện ban đầu 42

3.3.2 Điều kiện vận hành và điều kiện biên 42

3.4 Kết quả mô phỏng 43

3.4.1 Đặc tính kỹ thuật động cơ với tỷ lệ H2/CO thay đổi 43

3.4.2 Đánh giá đặc tính kỹ thuật theo tốc độ vận hành tại tỷ lệ H2/C0=50/50 48

3.4.3 Đánh giá đặc tính sự cháy 50

3.4.4 Đánh giá đặc tính phát thải 54

CHUÔNG 4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 56

4.1 Kết luận 56

4.2 Hướng phát triển tiếp theo 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

PHỤ LỤC I GIỚI THIỆU PHẦN MÈM AVL BOOST VER.2013 61

PHỤ LỤC H BẢNG KẾT QUẢ TIÊU BIỂU VỚI AVL BOOST VER.2013 72

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Vỏ trấu được thải bỏ bừa bãi 5

Hình 1.2 Sơ đồ tổng quan sản xuất nhiên liệu syngas 7

Hình 1.3 Sơ đồ phương trình tạo khí syngas 8

Hình 1.4 Công nghệ khí hóa tầng cố định có dòng chéo 12

Hình 1.5 Công nghệ khí hóa tầng sôi 15

Hình 1.6 Phát thải HC theo tỷ lệ thay thế syngas 20

Hình 1.7 Hiệu suất nhiệt chỉ thị theo % syngas 20

Hình 2.1 Mô hình buồng cháy 32

Hình 2.2 Ảnh hưởng khi thay đổi tham số “M” đối với các đường đặc tính trong quá trình mô phỏng 35

Hình 2.3 Ảnh hưởng hệ số tương đương tới khí thải trong động cơ Si 37

Hình 3.1 Mô hình động cơ syngas-diesel được xây dựng trên AVL Boost ver.2013 41

Hình 3.2 Đặc tính công suất theo tốc độ với tỷ lệ % H2/CO thay đổi 44

Hình 3.3 Đặc tính mô-men theo tốc độ với tỷ lệ % H2/CO thay đổi 45

Hình 3.4 Đặc tính tiêu thụ nhiên liệu theo tốc độ với tỷ lệ % H2/CO thay đổi 45

Hình 3.5 Nox theo tốc độ với tỷ lệ % H2/CO thay đổi tại 50% diesel- 50% syngas 46

Hình 3.6 Co theo tốc độ với tỷ lệ % H2/CO thay đổi tại 50% diesel - 50% syngas 46

Hình 3.7 Soot theo tốc độ với tỷ lệ % H2/CO thay đổi tại 50% diesel- 50% syngas 47

Hình 3.8 Đặc tính công suất theo tốc độ với tỷ lệ % diesel/syngas thay đổi 48

Hình 3.9 Đặc tính mô-men theo tốc độ với tỷ lệ % diesel/syngas thay đổi 49

Hình 3.10 Đặc tính tiêu thụ nhiên liệu theo tốc độ với tỷ lệ % diesel/syngas thay

đổi 50

Hình 3.11 Áp suất xi-lanh theo GQTK với % diesel/syngas thay đổi tại 1800v/ph 50

Hình 3.12 Áp suất xi-lanh theo GQTK với % diesel/syngas thay đổi tại 2400v/ph 52

Hình 3.13 Nhiệt độ xi-lanh theo GQTK với % diesel/syngas thay đổi tại 1800v/ph 53

Hình 3.14 Nhiệt độ xi-lanh theo GQTK với % diesel/syngas thay đổi tại 2400v/ph 53

Hình 3.15 Phát thải nox theo tốc độ với tỉ lệ syngas-diesel thay đổi 54

Hình 3.16 Phát thải co theo tốc độ với tỉ lệ syngas-diesel thay đổi 55

Hình 3.17 Phát thải soot theo tốc độ với tỉ lệ syngas-diesel thay đổi 55

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Thống kê lượng CTR theo thành phần vật nuôi 4

Bảng 1.2 Tiềm năng sinh khối gỗ năng lượng 9

Bảng 1.3 Tiềm năng sinh khối phụ phẩm nông nghiệp 9

Bảng 1.4 Tính chất lý hóa một số loại phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam 11

Bảng 1.5 So sánh giá trị kinh tế trên đơn vị nhiệt trị giữa sử dụng nhiên liệu truyền thống và khi sử dụng thay thế bằng nhiên liệu sinh khối ở Việt Nam 17

Bảng 1.6 Thông số kỹ thuật của Syngasvới tỷ lệ H2/C0 khác nhau 21

Bảng 2.1 Cơ chế hình thành CO 38

Bảng 2.2 Cơ chế hình thành NOx theo 6 phản ứng 39

Bảng 3.1 Trình tự các bước mô phỏng 40

Bảng 3.2 Điều kiện mô phỏng trong luận văn 42

NLSK Nhiên liệu sinh khối

Syngas Synthesis gas: Khí tổng hợp

°TK Độ góc quay trục khuỷu

TĐCT Trước điểm chết trên

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Để bảo đảm an ninh năng lượng Quốc gia, hạn chế sự phụ thuộc của động

cơ đốt trong vào nguồn nhiên liệu hóa thạch đang ngày dần cạn kiệt Để giảm thiểu ô nhiễm môi trường do phát thải của động cơ đốt trong vào môi trường, đang là vấn đề được Đảng và Nhà Nước chúng ta quan tâm cũng như có nhiều giải pháp tìm kiếm nguồn nhiên liệu sạch để thay thế, trong đó nhiên liệu sinh học là nguồn nhiên liệu có giá thành rẻ và phổ biến Do vậy nhiên liệu sinh học

là một nguồn nhiên liệu được các nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm và đặc biệt là ở các nước nông nghiệp đang phát triển như Việt Nam có thể tận dụng tài nguyên tại chỗ để sản xuất nhiên liệu này Công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học không phức tạp, tạo việc làm và tăng thu nhập cho người lao động, tăng hiệu quả kinh tế nông nghiệp Nhiên liệu sinh học sử dụng thuận tiện hơn các dạng nhiên liệu sạch khác nhất là đối với động cơ không cần phải thay đổi thiết kế chế tạo nhiều, giá thành nhiên liệu sinh học có giá thấp hơn so với xăng, dầu (xăng, dầu thuộc nguồn nhiên liệu hoá thạch đang ngày một cạn kiệt và giá thành ngày càng tăng nhanh) Sử dụng nhiên liệu sinh học giảm thiểu khí xả độc hại vào môi trường Nhiên liệu syngas (viết tắt từ synthesis gas) là sản phẩm khí tổng hợp của nhiên liệu sinh học, bao gồm các thành phần khí H2, co, CH4, CO2, N2, Syngas được sản xuất từ các hợp chất chứa cacbon như khí thiên nhiên gỗ, mùn cưa, vỏ trấu, sản phẩm dầu mỏ, than đá và sinh khối Điều này đóng vai trò mấu chốt trong công nghiệp hóa học và sản xuất nhiên liệu tổng hợp

Năng lượng đóng vai trò rất quan trọng trong sự phát triển kinh tế Nen kinh

tế càng phát triển thì nhu cầu về năng lượng càng lớn dẫn đến suy giảm nhanh chóng nguồn nhiên liệu hóa thạch, đẩy giá nhiên liệu (xăng dầu, than, khí ) lên cao và gia tăng lượng khí CO2 thải vào khí quyển, gây nên hiệu ứng nhà kính, biến đổi khí hậu toàn cầu Do đó, ngoài những nghiên cứu giải

2

pháp sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả thì nghiên cứu, ứng dụng những công nghệ mới nhằm phát triển, tạo ra nguồn năng lượng thay thế, bổ sung cho các nguồn năng lượng hoá thạch cần được quan tâm Nguồn năng lượng sinh khối (NLSK) từ phụ phẩm nông, lâm nghiệp (rơm rạ, trấu, xơ dừa, vỏ cà phê, bã mía,

xơ bắp, lá khô, vụn gỗ ) là một trong những nguồn năng lượng mới, năng lượng tái tạo cần được quan tâm nghiên cứu khai thác

Nguồn sinh khối rất phong phú Do vậy, công nghệ để sử dụng NLSK cũng rất đa dạng Việc nghiên cứu nắm vững công nghệ cho việc phát triển nguồn NLSK là việc rất quan trọng và đáng quan tâm Hiện nay có khoảng 50 nước trên thế giới khai thác và sử dụng nhiên liệu từ sinh khối ở các mức độ khác nhau [2], [9]:

• Brasỉl là quốc gia đầu tiên sử dụng ethanol làm nhiên liệu ở quy mô công nghiệp từ năm 1970 Tất cả các loại xăng ở quốc gia này đều pha khoảng 25% ethanol (E25), mỗi năm tiết kiệm được trên 2 tỷ USD do không phải nhập dầu

mỏ

• Mỹ sản xuất nhiên liệu sinh học chủ yếu từ hạt bắp, hạt cao lương và thân cây cao lương ngọt, và củ cải đường Để khuyến khích sử dụng nhiêu liệu sạch, Chính phủ đã thực hiện việc giảm thuế 0,50 USD/gallon ethanol và 1 USD/gallon diesel sinh học, hỗ trợ các doanh nghiệp nhỏ sản xuất năng lượng sinh khối

• Đức sản xuất điện từ biogas đang rất phát triển với số lượng nhà máy đã đạt tới 4600 nhà máy với tổng công suất 1700MW/nãm (năm 2009), và dự kiến

sẽ tiếp tục tăng trong tương lai

• Pháp là nước thứ hai tiêu thụ nhiều ethanol sinh học trong cộng đồng Châu

Âu với mức khoảng 1,07 triệu tấn ethanol và diesel sinh học (năm 2006)

• Thụy Điển có chương trình chấm dứt hoàn toàn nhập khẩu xăng cho xe hơi vào năm 2020, thay vào đó là tự túc bằng xăng sinh học Hiện nay, 20% xe ở Thụy Điển chạy bằng xăng sinh học, nhất là xăng ethanol Đe khuyến khích sử dụng

3

xăng sinh học, chính phủ Thụy Điển không đánh thuế xăng sinh học, và trợ

cấp xăng sinh học rẻ hơn 20% so với xăng thông thường

• Nhật Bản, Chính phủ đã ban hành Chiến lược năng lượng sinh khối từ năm

2003 và hiện nay đang tích cực thực hiện Dự án phát triển các đô thị sinh khối

(biomass town) và đã có hơn 200 đô thị đạt danh hiệu này

• Thái Lan: Từ năm 1985, Thái Lan đã huy động hàng chục cơ quan khoa học

đầu ngành để thực thi dự án Hoàng gia phát triển công nghệ hiệu quả sản xuất

ethanol và diesel sinh học từ dầu cọ Năm 2003, đã có hàng chục trạm phân

phối xăng sinh học ở Băng Cốc và vùng phụ cận và tiếp tục phát triển trong

tương lai

• Việt Nam: Cũng như nhiều quốc gia khác, việc sử dụng năng lượng gió, năng

lượng mặt trời, NLSK đang được áp dụng tại Việt Nam nhưng sản lượng còn

thấp và quy mô không lớn Bên cạnh đó, Việt Nam có một tiềm năng NLSK

rất lớn từ các phụ phẩm nông, lâm nghiệp Tiềm năng của NLSK tại Việt Nam

theo [2],[9] như:

- Tại ĐBSCL, khả năng thu gom phụ phẩm nông nghiệp của vùng vào

khoảng trên 23 triệu tấn/nãm, trong đó có khoảng trên 3,8 triệu tấn trấu, gần 17

triệu tấn rơm rạ, trên 372.000 tấn bắp; gần 1,4 triệu tấn bã mía (năm 2012) Đây

là các nguồn có khả năng tạo ra khí tổng hợp (syngas) ứng dụng làm nhiên liệu

cho động cơ đốt trong

- Lượng chất thải ran (CTR) chăn nuôi của một số loài vật nuôi như sau:

4

Bảng 1.1 Thống kê lượng CTR theo thành phần vật nuôi

Loài vât nuôi

•

Tổng số đầu con (triệu

con)

CTR bình quân (kg/con/ngày)

Tổng CTR/năm (triệu tấn)

đã khỏi công xây dựng 4 nhà máy sản xuất ethanol từ tinh bột sắn, công suất mỗi nhà máy 100 triệu lít cồn/nãm Như vậy là vẫn còn khá nhỏ so với tiềm năng của nước ta Mặt khác, do nhiều nguyên nhân mà mỗi năm có hàng chục triệu tấn phế phụ phẩm nông nghiệp chưa được chú trọng khai thác mà bị đốt tại nhiều vùng nông thôn, cũng như các chất thải chăn nuôi thải ra môi trường gây ô nhiễm cho các khu vực

5

Hình 1.1 Vỏ trấu được thải bỏ bừa bãi

Nhằm khai thác hiệu quả hơn các nguồn tài nguyên nông lâm nghiệp, tận dụng các nguồn chất thải, bảo vệ môỉ trường và nâng cao khả năng tiện dụng trong việc sử dụng NLSK cho động cơ nông nghiệp, động cơ tinh tại, máy phát điện trong cuộc sổng sinh hoạt hàng ngày với quy mô nhỏ ở khu vực nông thôn

Do đó, việc thực hiện đề tài: “Nghiên cứu mô phỏng đánh giá đặc tỉnh động cơ

diesel sử dụng dìesel-syngas” có ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn cao

1.2 Mục tiều nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu chính của luận vãn là xây dựng mô hình động cơ diesel

1 xi-lanh để đánh giá đặc tính công suất, thông số tiêu biểu quá trình cháy và khí thải động cơ diesel sử dụng hỗn hợp syngas-diesel với tỷ lệ phối trộn thay đổi Trên cơ sở của kết quả nghiên cứu, tác giả sẽ phân tích ảnh hưởng của các thông số vận hành tiêu biểu (vận tốc, góc quay trục khuỷu, ) đến đặc tính công suất và khí thải, cũng như đề xuất tỷ lệ bồ sung phù hợp syngas vào trong nhiên liệu diesel nhằm đánh giá tính khả thỉ của việc ứng dụng nhiên liệu mới từ chất thải nông, lâm nghiệp trong tương lai tại Việt Nam

1.3 Đối tượng và phạm vỉ nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là động cơ diesel 1 xi-lanh, phun trực tiếp (dự kiến

sử dụng kết cấu động cơ phổ biến RV125-2) Đây là dòng động cơ được Việt

6

Nam sản xuất, chiếm thị phần lớn trong nước và xuất khẩu

Phạm vi nghiên cứu của luận văn này giới hạn trong các nội dung như sau: 1- Nghiên cứu đặc tính công suất (công suất, mô-men, tiêu hao nhiên liệu) của động cơ Diesel sử dụng hỗn hợp diesel- syngas

2- Đặc tính thay đổi của nhiệt độ và áp suất trong xi-lanh khi có sự thay đổi của tỷ lệ diesel- syngas

3- Đánh giá đặc tính phát thải (khí NOX, co, Soot) của động cơ diesel sử dụng hỗn hợp diesel- syngas

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu chính của luận văn là mô hình hóa và mô phỏng

sử dụng phần mềm AVL Boost có sử dụng thông số vận hành thực nghiệm trên băng thử

Ngoài ra, tác giả cũng sử dụng phương pháp phân tích tổng hợp các tài liệu liên quan và tham vấn ý kiến chuyên gia tại Công ty SVEAM, thầy hướng dẫn

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ỷ nghĩa khoa học: Nghiên cứu trong luận vãn góp phần làm rõ ảnh hưởng

của việc sử dụng hỗn hợp syngas-diesel như nhiên liệu trên động cơ diesel đến công suất, mô-men, áp suất xi-lanh và một số khí thải độc của động cơ Kết quả

mô phỏng sẽ là cơ sở khoa học đề xuất cấu hình động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-syngas cho Việt Nam

Ỷ nghĩa thực tiễn: Neu đề tài thực hiện thành công, kết quả nghiên cứu góp

phần tin cậy cho xu hướng ứng dụng nhiên liệu mới từ nguyên liệu thải

7

lâm nghiệp, nông nghiệp (vốn phong phú) cho động cơ đốt trong, thiết bị động lực tại Việt Nam

1.6 Tổng quan về nhiên liệu syngas

1.6.1 Giói thiệu về nhiên liệu syngas

Syngas là khí tổng hợp không phải là nhiên liệu hóa thạch tìm thấy trong tự nhiên, khí tổng hợp là một khí nhiên liệu hỗn hợp bao gồm chủ yếu là hydro, carbon monoxide và bao gồm một lượng khí carbon dioxide Phương pháp sản xuất bao gồm tái lập hơi nước của khí tự nhiên hoặc hydrocarbon lỏng để sản xuất hydro, các quá trình khí hóa than, sinh khối và trong một số loại chất thải thành năng lượng khí hóa

Khí hóa là một quá trình chuyển đổi hữu cơ hoặc hóa thạch dựa trên các bon vật liệu vào khí carbon monoxide, hydrogen và carbon dioxide Điều này đạt được

từ phản ứng của vật liệu ở nhiệt độ cao (> 700°C), mà không cần đốt, với một số lượng có kiểm soát của oxy Hỗn hợp khí được gọi là khí tổng hợp và chính nó

là một nhiên liệu Syngas được coi là một nguồn năng lượng tái tạo nếu các hợp chất khí hóa được lấy từ sinh khối Sinh khối tạo ra nhiên liệu sinh học, được sản xuất dựa vào carbon, hydro và oxy Sản xuất sinh khối ước tính trên thế giới là 104,9 tỷ tấn cacbon mỗi năm, khoảng một nửa trong đại dương và nửa trên mặt đất

Syngas là sản phẩm được sản xuất từ các hợp chất chứa cacbon như: Khí thiên nhiên, sản phẩm dầu mỏ, than đá và sinh khối Điều này đóng vai trò mấu chốt trong công nghiệp hóa học và sản xuất nhiên liệu tổng hợp Dưới đây là lưu

đồ thể hiện tổng quan về quá trình sản xuất nhiên liệu syngas:

Natural gas Naphtha Coal Biomass

Hình 1.2 So' đồ tổng

quan sản xuất nhiên liệu syngas

Quá trình sản xuất nhiên liệu khí syngas còn được gọi là gasification Đây

là quá trình chuyển đổi các nguồn nguyên liệu dạng rắn thành hồn hợp các chất khí thông qua các phản ứng trong điều kiện thiếu oxygen Gasification được xảy

syngas*

8

ra trong khoảng nhiệt độ 1112°F tới 2732°F và sản phẩm cho ra hỗn hợp khí tổng họp có năng lượng từ thấp tới trung bình phụ thuộc vào kiểu khí hóa cũng như điều kiện vận hành Quá trình hóa sinh khối được sử dụng để sản xuất năng lượng sinh học và các sản phẩm sinh học khác dùng cho động cơ đốt trong, lò hơi hay

để phát điện

Trong quá trình khí hóa, nguyên liệu đầu vào được sấy tới nhiệt độ cao, sản phẩm của quá trình này là chất khí mới tạo thành và phần chất rắn còn lại không phản ứng Lượng khí được tạo ra phụ thuộc vào nhiệt độ và tính chất của nguồn nguyên liệu cũng như nhiệt độ mà các phản ứng xảy ra Các phản ứng xảy

ra ban đầu dưới sự có mặt của oxygen cho ra sản phẩm có khí co và CO2 Các phản ứng xảy ra rất nhanh, kèm theo sự tỏa nhiệt và là tiền đề để các phản ứng khác tạo ra Quá trình khí hóa nguyên liệu rắn tại nhiệt độ cao (khoảng >1112°F) đầu tiên tạo ra khí và một số chất dưới dạng tro, nhựa đường Các phản ứng hóa học, ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình khí hóa và quyết định đến thành phần các chất khí tạo thành Những phản ứng thứ cấp xảy ra tại nhiệt độ > 1112°F và dưới điều kiện áp suất thích hợp, sẽ giúp cho sự phân hủy tro tạo ra cacbon và các chất khí Phản ứng của quá trình khí hóa sinh khối chứa cacbon được thể hiện theo phương trình dưới đây:

Sinh khối + không khí (thiếu) - ► co + H2 + CH4 +H2O + N2

Hình 1.3 So' đồ phương trình tạo khí Syngas

Để phản ứng xảy ra được hoàn toàn thì 1 (kg) nguyên liệu sinh khối cần khoảng 4,5 (kg) không khí (tạo điều kiện chuẩn), theo như các nghiên cứu được đưa ra thì đối với các phản ứng khí hóa lượng không khí chỉ cần thiết

9

khoảng bằng 0,25 lần không khí tiêu chuẩn Thông thường là để khí hóa 1 (kg) nguyên liệu sinh khối thì cần khoảng 1,15 (kg) không khí

1.6.2 Nguyên liệu sản xuất syngas

Nguồn nguyên liệu sinh khối (NLSK) [2],[9] chủ yếu là gỗ và phụ phẩm cây trồng Tiềm năng nguồn nguyên liệu sinh khối này được đánh giá theo bảng số liệu dưới

đây:

Bảng 1.2 Tiềm năng sinh khối gỗ năng lượng

Nguồn cung cấp

Tiềm năng (triệu tấn)

Quy dầu tương đương (triệu tấn)

Tỉ lệ (%)

Quy dầu tương đương (triệu tấn)

Tỉ lệ (%)

10

này mới chỉ đạt được 1% nhu cầu Nguyên liệu sinh khối có thể cung cấp năng lượng cho 100 triệu hộ gia đình, tương đương với công suất có thể thay thế 400 nhà máy điện truyền thống lớn Lợi thế của nguyên liệu sinh khối là có thể dự trữ

và sử dụng khi cần, NLSK có tính ổn định và là nguồn năng lượng có thể tái tạo Giá thành của NLSK luôn rẻ hơn các loại nhiên liệu khác, ví dụ như: Sử dụng 2 kg đến 4 kg NLSK tương đương 1 kg than, trong đó 1 kg NLSK có giá chỉ bằng 5% đến 10% giá 1 kg than Nếu sản xuất điện năng từ nguyên liệu sinh khối thì giá thành điện cũng giảm từ 10% đến 30% so với nguồn nhiên liệu hóa thạch

Trữ lượng NLSK ở Việt Nam là rất tiềm năng Nếu chúng ta tận dụng triệt

để nguồn NLSK từ rơm rạ, bã mía thì ước tính, mỗi năm sản xuất được khoảng 605.000.000 kWh điện Bảng 1.4 thống kê một số tính chất lý hóa một số loại phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam [10], Nguồn nguyên liệu đầu vào rất đa dạng, phong phú và là thành phần chính trong hoạt động sản xuất nông nghiệp tại Việt Nam

11

1.6.3 Công nghệ chuyển hóa syngas

Hiện nay trên thế giới, có hai công nghệ khí hóa sinh khối chính là:

- Công nghệ khí hóa tầng cố định

- Công nghệ khí hóa tầng sôi

Hai công nghệ khí hóa này đều được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp, tuy nhiên mỗi công nghệ có những đặc điểm riêng về mặt yêu cầu về mặt nguyên liệu

1.63.1 Giới thiệu công nghệ khí hóa tầng cố định

Công nghệ này nguyên liệu được nạp vào từ trên đỉnh lò xuống phía dưới, gió (không khí, hơi nước ) đi vào từ đáy lò còn sản phẩm khí đi ra ở của lò phía trên hoặc dưới, như vậy gió và nguyên liệu đi ngược chiều nhau

Fuel

Nhiên liêu

• sinh khối

Khối lượng riêng (kg/m 3 )

12

Ocyu.-!

ỊH

u, L

Hình 1.4 Công nghệ khí hóa tầng cố định có dòng chéo [11]

Quy trình có một số đặc điểm sau:

- Phân chia chiều cao lò thành từng vùng phản ứng, vùng này kế tiếp vùng kia Dưới cùng là vùng xỉ (7), tiếp đó là vùng cháy (6), vùng khử (vùng tạo ra sản phẩm khí hóa (5), vùng bán cốc (4), vùng sấy (3) và trên đó là tầng không đỉnh

lò

- Do có sự phân bố các vùng phản ứng như vậy, nên nếu đi từ dưới lên thì vùng cháy có nhiệt độ cao nhất, tiếp đó là vùng khử có nhiệt độ thấp hơn do, có phản ứng thu nhiệt, vùng bán cốc có nhiệt độ thấp hơn nữa và tiếp đó là vùng sấy,

có nhiệt độ càng thấp hơn nữa do phải tiêu tốn nhiệt vào quá trình bốc hơi nước

Có thể tóm tắt nhiệt độ các vùng nhiệt độ như dưới đây:

T° vùng cháy > t° vùng khử > t° vùng bán cốc > t° vùng sấy

- Như vậy nhiệt lượng vùng cháy phân bố cho các vùng khác nhau để thực hiện quá trình khí hóa Sự truyền nhiệt từ vùng nhiệt độ cao đến vùng nhiệt độ thấp, chủ chủ yếu là bằng con đường đối lưu, còn bằng con đường khác (như bức

xạ và dẫn nhiệt) thì rất ít

- Khi đi từ trên xuống dưới, trọng lượng và kích thước hạt sinh khối giảm dần vì sinh khối đã tham gia vào các phản ứng phân hủy nhiệt (bán cốc), phản ứng khử, phản ứng cháy Hàm lượng cacbon còn lại trong sỉ tương đối ít Tại

13

vùng xỉ, hàm lượng tác nhân O2 và H2O lại cao, do gió vào từ đáy lò và chuyển động ngược chiều với sinh khối

- Khi xem xét quá trình khí hóa theo chiều cao lò, ta nhận thấy gió đi từ ghi

lò (đáy lò đồng thời là vùng xỉ lò), tiếp theo là vùng cháy, vùng khử Và cuối cùng là đến tầng không đỉnh lò Vùng xỉ là vùng chủ yếu là chứa xỉ để chuẩn bị đưa ra khỏi lò, nhiệt độ ở đây tương đối thấp, tuy nhiên oxy cũng có phản ứng với phần sinh khối còn lại trong xỉ còn nóng nên hàm lượng oxy giảm đi chút ít

Ở vùng này chủ yếu không khí được gia nhiệt để đi tiếp vào vùng cháy Vùng cháy là vùng phản ứng cháy xảy ra, phản ứng c + O2 <-> co + CO2 ; CO vừa tạo

ra lại phản ứng tiếp với oxy tự do của gió để tạo ra CO2 (2CO + O2 <-> 2CO2) Trong vùng này nhiệt tỏa ra mạnh, lượng nhiệt này dùng để cung cấp cho các phản ứng trong vùng khử và các vùng khác

Vùng khử là vùng có CO2 và hơi nước đi từ vùng cháy vào có thể tạo ra 3 phản ứng quan trọng nhất ở vùng khử, vì chính 3 phản ứng này tạo ra các khí dùng làm khí đốt hoặc dùng làm nguyên liệu cho công nghiệp tổng hợp hóa học (CO và H2) trong sản xuất phân đạm và các hóa chất khác Các phản ứng sau:

- C + CO2 < > 2CO - Q1

- c + H2O < > CO I [ [2 Q2

c + 2H2O <—> CO2 + 2H2 — Q3 Vùng bán cốc (nhiệt phân): Khí ra khỏi vùng khử có nhiệt độ thấp hơn vùng khử do nhiệt độ phải cấp cho các phản ứng khử Nhiệt độ khí (nhiệt độ khoảng 500°C - 700°C) được cung cấp cho sinh khối ở vùng bán cốc Neu nguyên liệu dùng cho khí hóa là các loại sinh khối, than biến tính thấp (như than nâu, than bùn ) thì khi bị bán cốc hóa, các sản phẩm phân hủy chứa nhiều hydrocacbon và khí CO2 Kết quả là khí sản phẩm không chỉ chứa CO, H2, CO2 mà còn có cả các hợp chất hữu cơ khác Sản phẩm khí này chỉ thuận lợi khi dùng làm nhiên liệu chứ không thuận lợi cho quá trình tổng hợp hóa học Nếu nguyên liệu dùng cho quá trình khí hóa là than antranxit thì sẽ cho sản phẩm khí co, H2 có độ tinh khiết cao, thuận lợi cho quá trình tổng hợp hóa học

14

Ưu nhược điểm của các quá trình khí hóa tầng cố định:

- Nhờ sắp xếp các vùng phản ứng trong lò, vùng này kế tiếp vùng kia, nên nhiệt độ trong lò giảm dần từ dưới lên trên, nguyên liệu càng đi xuống dưới càng nóng Phương pháp khí hóa tầng cố định có ưu điểm là có thể sử dụng tất cả các loại nguyên liệu ban đầu khác nhau (về độ ẩm và độ tro) mà không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng khí Nguyên liệu đi từ vùng sấy qua vùng bán cốc nên ẩm

và chất bốc đã thoát hết, do vậy khi đến vùng khử và vùng cháy nguyên liệu vẫn giữ được nhiệt độ cần thiết cho các phản ứng khử và phản ứng cháy, vì vậy chất lượng khí sản phẩm ở đây vẫn tốt

- Chính vì vậy phương pháp này cho phép khí hóa được tất cả các loại than,

từ than non đến than già, kể cả loại đá dầu có hàm lượng tro cao (đến khoảng 50% tro) và củi gỗ (có độ ẩm đến 30%) Phương pháp không dùng được đối với các loại than cám và than bụi

- Phương pháp khí hóa tầng cố định cho phép sản xuất khí có chứa nhiều hidrocacbon, vì vậy khí sản phẩm có nhiệt cháy cao, rất có lợi khi dùng vào mục đích làm khí đốt Mất mát cacbon theo xỉ ở phương pháp này tương đối ít, vì theo chiều chuyển động của nguyên liệu từ trên xuống dưới thì nồng độ các tác nhân khí như O2, H2O tăng lên, còn nồng độ các bon trong pha rắn giảm dần Nhược điểm của phương pháp này là mất mát nhiệt theo xỉ khá

15

nhiều vì vùng tro xỉ, tiếp xúc trực tiếp với vùng cháy, là vùng có nhiệt độ cao, do

đỏ hiệu suất nhiệt của quá trình không cao

1.6.3.2, Giới thiệu công nghệ khi hóa tầng sôi

Khí hóa tầng sôi dùng kích thước hạt 0,5 4- 3mm Với tốc độ gió đạt đến giới hạn sẽ tạo ra lớp sôi của các chất rắn Ta có một số khái niệm sau:

Sôi tĩnh đó là quá trình tạo ra chất rắn tập trung với mật độ cao, khỉ quá trình cân bằng giữa tốc độ dòng khí và trọng lực Ở tốc độ gió vừa phải, sự khác nhau giữa chế độ sộỉ có hai chức năng chính đó là cung cấp tác nhân oxy hốa và tạo ra lớp sôi trong thiết bị Quá trình này rất khó điều khiển khỉ bắt đầu hoặc khỉ kết thức Trong quá trình, hỗn hợp oxy/hơi nước sẽ được sử dụng làm tác nhan thổi

Ưu điểm của quy trình khí hóa tầng sôỉ:

- Nguyên liệu liên tục chuyển vào lò khí hóa

- Nguyên liệu được đảo lộn trong lớp sôi nên quá trình truyền nhiệt rất cao, làm cho sự phân bố nhiệt độ đồng đều theo chiều cao của lò

Khi thổi gió vào lò, các hạt lớn sẽ tập trung ở đáy lò, các hạt nhỏ ở phía trên

và dễ dàng bay ra ngoài lò theo gió Để làm giảm lượng bụi bay theo gió ra ngoài người ta đưa giỏ bậc 2 ở khoảng giữa lò để tăng cường quá trình khí hóa Nhưng gió bậc 1 thổi từ đáy lò lên vẫn là chủ yếu

Hình 1.5 Công nghệ khí hóa tầng sôi [11]

piĩtTir Mh-riwling fumact

16

Khi khí hóa tầng sôi, nguyên liệu và gió đi cùng một hướng từ dưới đáy lò, như vậy nguyên liệu được tiếp xúc ngay với vùng có nhiệt độ cao Quá trình sấy, bán cốc cùng xẩy ra trong vùng này Lượng chất bốc sinh ra gặp oxy trong gió sẽ cháy hết thành CO2 và H2O, một phần nhỏ khác bị nhiệt phân Vì vậy khí sản phẩm

ra khỏi đỉnh lò không có các sản phẩm lỏng, không có các loại hydrocacbon nên khí ra sạch, dùng cho tổng hợp hóa học rất có lợi

Vì khí hóa tầng sôi nên các hạt Bionmass luôn chuyển động và trong lò không

có danh giới rõ rệt giữa các vùng phản ứng (như vùng cháy, vùng khử, vùng nhiệt phân, trong khí hóa tầng cố định) và nhiệt độ trung bình của lò giảm xuống Vì đặc điểm này nên nhiệt độ của lò trong phương pháp khí hóa tầng sôi chỉ đạt từ 900°C đến 1000°C

Nhược điểm của quy trình khí hóa tầng sôi:

- Để nâng cao nhiệt độ lò, có thể dùng thêm oxy và hơi nước vào gió, tuy thế cũng không thể nâng cao nhiệt độ phản ứng cao quá 1150°C, nhiệt độ có thể làm chảy xỉ Do nhiệt độ lò không được nâng cao được nên các loại than già, than antraxit có tốc độ phản ứng của c với các tác nhân khí không đủ lớn thì không thích hợp cho qua trình khí hóa tầng sôi Phương pháp khí hóa tầng sôi dùng than có tốc

độ biến tính thấp như than nâu, than bùn hoặc sinh khối vì điểm nóng chảy của sinh khối thấp và dễ phản ứng

1.6.4 Ưu nhược điểm của khí syngas so vói diesel truyền thống

7.6.4.1 ưu điểm

Việc sử dụng các phế thải nông nghiệp trong sinh hoạt nông thôn nhu cầu ngày càng giảm và dần được thay thế bằng các nguồn nguyên liệu thuận lợi hơn như điện, gas .trong khi đó, nhiều cơ sở sản xuất và chế biến nông sản (lúa, ngô, khoai, sắn) lại cần nhiều năng lượng nhiệt mà hiện tại đang phải sử dụng các loại nhiên liệu không có khả năng tái tạo như than đá, hoặc một số nhiên liệu phải nhập

từ nước ngoài như dầu FO, DO, Gas

Như vậy, nếu muốn phụ phế phẩm nông nghiệp (vỏ trấu, lõi ngô ) được

17

sử dụng, để chuyển đổi thành năng lượng theo công nghệ mới, không những giải quyết được sự thiếu hụt về nguồn nhiên liệu hiện nay, mà còn giải quyết được phần nào về vấn đề ô nhiễm môi trường, ngoài ra còn góp phần đem lại hiệu quả kinh tế cho các doanh nghiệp Bảng 1.5 dưới đây trình bày bài toán so sánh về giá trị kinh

tế giữa việc, sử dụng nhiên liệu truyền thống và khi sử dụng thay thế bằng nhiên liệu sinh khối (phụ phẩm nông nghiệp)

Bảng 1.5 So sánh giá trị kỉnh tế trên đon vị nhiệt trị giữa sử dụng nhiên liệu truyền thống

và khi sử dụng thay thế bằng nhiên liệu sinh khối ờ Việt Nam

Nhiên liêu hóa thach

Nhiên liêu • Nhiêt tri

• • thấp (MJ/kg)

$USD Cent/MJ

Nhiên liêu

•

Nhiêt tri

• « thấp (MJ/kg)

$USD Cent/MJ

Qua bảng 1.5 làm phép tính so sánh về giá cả trên đơn vị nhiệt trị (trên đơn vị năng lượng) giữa nhiên liệu truyền thống và nhiên liệu sinh khối cho thấy nhiệt trị thấp của các nhiên liệu truyền thống, (ví dụ than đá) cao hơn nhiên liệu sinh khối

từ 1,5 đến 2,5 lần, do vậy giá trên đơn vị năng lượng của nhiên liệu truyền thống (than đá) cao hơn sinh khối, (vỏ trấu) vào khoảng 12 đến 18 lần Cụ thể với than đá

có nhiệt trị như nêu trên vào thời điểm này khoảng 5600 đồng/kg, trong khi đó giá

cả của vỏ trấu là 500 đồng/kg (chủ yếu là tiền thu gom vận chuyển là chính), từ đó

ta có thể so sánh được chi phí (giá) trên một đơn vị năng lượng (nhiệt trị) như nêu trên

Trong trường hợp vỏ trấu được khí hóa với hiệu suất khoảng 65% thì khi này chi phí (giá) cho một đơn vị năng lượng (nhiệt trị) của vỏ trấu sẽ thấp hơn 4,7 đến

18

5,2 lần so với than đá Còn khi so sánh giữa vỏ trấu với dầu diesel hoặc khí gas thì chi phí (giá) còn thấp hơn nhiều lần nữa hoặc khi so sánh lõi ngô với than đá, hoặc dầu diesel, hoặc khí gas thì hiệu quả kinh tế còn cao hơn nữa, vì lõi ngô còn rẻ hơn

vỏ trấu

Điều đó cho thấy việc sử dụng vỏ trấu, lõi ngô làm nhiên liệu khí hóa sẽ đem lại hiệu quả kinh tế cao hơn nhiều lần so với khi dùng than đá, hoặc dầu diesel hoặc khí gas

1.6.4.2 Nhược điểm

«

Nhược điểm của nhiên liệu syngas chủ yếu là về vấn đề công nghệ khí hóa

Mà ở Việt Nam công nghệ này đã có từ những năm 1975 khi đất nước giải phóng,

cả nước khan hiếm xăng dầu Nhưng kỹ thuật khí hóa lúc này còn sơ khai, đặc biệt

là công nghệ lọc và xử lý khí gas chưa đạt yêu cầu Sau năm 1994 nhóm tác giả Bùi Trung Thành đã tìm hiểu công nghệ khí hóa từ vỏ trấu, nhóm nghiên cứu này đã đưa ra một số mô hình buồng đốt ở dạng pilot, công suất bé khí hóa mẻ (không liên tục) Ngoài nhóm tác giả nói trên còn kể đến Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nông nghiệp RIAM (Bộ công thương) tiến hành nghiên cứu các mẫu thiết bị khí hóa viên sinh khối để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng từ viên ép sinh khối Tuy nhiên vẫn còn một số các nhược điểm như khả năng sinh khí gas bị gián đoạn, chưa ổn định, cường độ khí gas và cường độ ngọn lửa cháy chưa cao, yêu cầu độ

âm nguyên liệu phải khô Xuất phát từ những hạn chế đó, mới đây nhóm tác giả cũng đã xây dựng đề tài nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị khí hóa liên tục quy

mô công nghiệp sử dụng nguyên liệu từ các phụ, phế phẩm nông nghiệp (vỏ trấu, lõi ngô)

Ngoài những nhược điểm về công nghệ khí hóa còn vấp phải vấn đề như khả năng lưu trữ, hóa lỏng syngas Nhiên liệu syngas thường phải được sử dụng ngay sau khi khí hóa sinh khối Khi sử dụng lưỡng nhiên liệu với syngas cung cấp vào đường nạp sẽ làm giảm hệ số nạp của động cơ do mật độ của syngas nhỏ hơn không khí

19

1.7 Các nghiên cứu trong và ngoài nước

1.7.1 Các nghiên cứu trên thế giói liên quan đến động cơ sử dụng syngas

Do thành phần H2 chứa trong nhiên liệu syngas nên khi bổ sung vào động cơ làm tăng khả năng cải thiện quá trình cháy cũng như phát thải độc hại của động cơ [12], Như chúng ta đã biết, H2 là một nguồn nhiên liệu triển vọng sử dụng cho động

cơ với các tính chất như năng lượng đánh lửa thấp, tốc độ cháy cao nhờ đó nâng cao được tính năng kỹ thuật của động cơ [20- 25] Như nghiên cứu của tác giả [16,18,19] với hàm lượng khí syngas bổ sung cho động cơ không những giảm được suất tiêu hao nhiên liệu và giảm các thành phần phát thải độc hại mà vẫn đảm bảo được công suất của động cơ ở chế độ tải bộ phận Theo nghiên cứu của Changwei

Ji [18] sử dụng lưỡng nhiên liệu syngas/xăng trên động cơ đánh lửa cưỡng bức cho các kết quả ảnh hưởng của tỷ lệ thay thế syngas đến các thông số làm việc của động

cơ Áp suất có ích chỉ thị trung bình của động cơ đạt giá trị lớn nhất với tỷ lệ syngas

về thể tích khoảng 1% như thể hiện trên hình 1.6

Ket quả nghiên cứu cho thấy khi tăng lượng khí syngas cung cấp vào đường nạp, IMEP có xu hướng tăng lên sau đó giảm xuống khi tiếp tục tăng lượng syngas Khi tăng syngas từ 0% đến 0,92%, do năng lượng đánh lửa của syngas thấp và tốc

độ cháy của nhiên liệu này cao hơn nên cải thiện quá trình cháy, từ đó làm tăng IMEP Tuy nhiên, khi tiếp tục tăng lượng syngas cung cấp cho động cơ, do mật độ năng lượng khối của syngas nhỏ và ảnh hưởng của thể tích khí chiếm chỗ làm giảm IMEP

20

Hình 1.6 Phát thải HC theo tỷ lệ thay thế syngas [18]

Hình 1.7 Hiệu suất nhiệt chỉ thị theo % syngas [18]

Nghiên cửu cũng chỉ ra ảnh hưởng của tỷ lệ syngas đến hiệu suất nhiệt của động cơ như thể hiện trên hình 1.7 Đồ thị cho thấy hiệu suất nhiệt chỉ thị của động

cơ cải thiện từ 32,54% lên đến 39,01% với hàm lượng syngas 2,43% về thể tích Nguyên nhân do khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu syngas và xăng đã cải thiện được tốc độ cháy và quá trình cháy kiệt hơn do H2 và co có tốc độ cháy cao hơn xăng Ngoài ra tốc độ lan tràn màng lửa nhanh nên đã giảm tẩn thất nhiệt và nhiên liệu syngas tồn tại ở dạng khí nên nhiệt độ của môi chất nạp cao hơn, điều này dẫn tới kết quả là hiệu suất nhiệt được cải thiện

21

Nghiên cứu của Bibhuti et al [17] thực hiện trên động cơ diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - syngas với tỷ lệ H2/CO trong syngas khác nhau được giới thiệu trong bảng 1.6

Bâng 1.6 Thông số kỹ thuật của syngas với tỷ lệ H2/C0 khác nhau

Syngas 50%H 2 +50%

22

trong syngas, đồng thời do ở chế độ này lượng nhiên liệu diesel phun vào động cơ

ít nên quá trình cháy nghèo và chất lượng cháy kém Tuy nhiên ở chế độ tải bộ phận, hiệu suất nhiệt có ích của động cơ tăng lên với nhiên liệu diesel - syngas với

tỷ lệ H2/C0 khác nhau Kết quả cho thấy, khi tăng tỷ lệ H2 trong khí syngas, làm tăng hiệu suất nhiệt của động cơ là do tốc độ cháy của H2 lớn hớn làm cải thiện quá trình cháy

Hình 1.9 thể hiện diễn biến của hệ số nạp theo tải trọng của động cơ Do H2

có thể tích lớn hơn nhiều so với không khí nên khi cung cấp syngas vào đường nạp

sẽ chiếm chỗ của không khí nạp dẫn tới hệ số nạp bị giảm ở trường hợp sử dụng lưỡng nhiên liệu Kết quả cho thấy ở mỗi chế độ tải nhất định hệ số nạp ứng với tỷ

lệ H2/C0 là 50 : 50 là nhỏ nhất so với hai trường hợp còn lại

Theo nghiên cứu của Changwei Ji [18] phát thải HC có xu hướng giảm mạnh khi tăng tỷ lệ syngas cung cấp (Hình 1.06) Với tỷ lệ thể tích syngas cung cấp vào đường nạp 2,43% thì phát thải HC giảm khoảng 15,47% so với trường hợp sử dụng đơn nhiên liệu xăng Khi tăng lượng syngas cung cấp vào đường nạp sẽ làm giảm

tỷ lệ A/F do lượng khí nạp bị giảm dẫn tới giảm phát thải HC Ngoài ra, do syngas

có tốc độ ngọn lửa và hòa trộn tốt hơn nên quá trình cháy kiệt hơn so với trường hợp sử dụng đơn nhiên liệu xăng, từ đó giảm phát thải HC

Như thể hiện trên hình 1.10, phát thải co tăng khi tăng lượng syngas bổ sung vào đường nạp Đồ thị cho thấy phát thải co tăng từ 2600 ppm đến 3821 ppm khi tăng lượng syngas từ 0 đến 2,43% Lý do thứ nhất là khi tăng lượng syngas sẽ làm giảm lượng không khí nạp vào động cơ, do đó hỗn hợp sẽ đậm hem hay tỷ lệ A/F giảm Điều này cũng có thể lý giải do quá trình cháy H2 cần nhiều oxy hơn do tỷ lệ A/F của H2 cao hơn nhiều so với xăng Ngoài ra, do tốc độ cháy của H2 cao hơn

so với co nên quá trình ô xy hóa H2 diễn ra nhanh hơn nên làm giảm nồng độ ồ xy

ở khu vực cháy nhiên liệu, do đỏ làm tăng khả năng hình thành co

23

Hình 1.10 Phát thải co theo tỷ lệ thay thế syngas [18]

Đồ thì hình 1.11 thể hiện thay đổi hàm lượng NOx theo tỷ lệ syngas ở tốc độ

1800 v/ph và MAP = 61,5 kPa Đồ thị cho thấy NOx có xu hướng giảm xuống khi tăng tỷ lệ syngas Khi tỷ lệ tăng từ 0 đến 2,43%, phát thải NOx giảm 15,47% Với cùng một giá trị dư lượng không khí, khi tăng tỷ lệ syngas mật độ năng lượng khối của hỗn hợp giảm so với xăng, điều này dẫn tới nhiệt độ quá trình cháy trong động

cơ giảm điều này làm giảm phát thải NOx Kết quả nghiên cứu của Bibhutì et al [4]

về phát thải độc hại với các mẫu nhiên liệu syngas có tỷ lệ H2/CO khác nhau (100%

H2,75% H2 và 50% H2) thể hiện trên hình 1.10 đến 1.11

Hình Lll Phát thải NOx theo tỷ lệ thay thế syngas [18]

Hàm lượng phát thải co của động cơ (Hình 1.12) tăng mạnh so với trường hợp

sử dụng khí syngas vói 100% H2 do quá trình ô xy hóa không hoàn toàn co trong

24

nhiên liệu và cả trong khí syngas Đối với trường hợp sử dụng khí syngas có chứa hàm lượng co, phát thải co nhạy cảm với tải trọng của động cơ Ở chế độ tải thấp, phát thải co tăng mạnh Ở 20% tải, phát thải co là 82 và 10Ố ppm đối với 75 và 50% H2 trong syngas so với trường hợp 100% H2 là 12 ppm Với trường hợp khí syngas không có chứa co, phát thải CO là nhỏ nhất ở tất cả các chế độ tải Đối với trường hợp động cơ hỗn hợp đồng nhất, khi tăng tải hàm lượng co tăng lên do thiếu

ô xy cung cấp cho quá trình cháy Tuy nhiên, đối với nghiên cứu này, khi tăng tải phát thải co tăng do nhiên liệu chứa một tỷ lệ co nhất định và do quá trình cháy muộn hơn Hàm lượng co lớn nhất là 68,213 và 247 ppm với trường hợp 100%, 75% và 50% H2 trong syngas

Hình 1.12 Diễn biến phát thải co theo tải Hình 1.13 Diễn biến phát thải HC theo tải trọng ứng với các tỷ lệ H2/C0 khác nhau trọng ứng với các tỷ lệ H2/C0 khác nhau Diễn biến phát thải độc hại HC theo tải trọng ứng với các tỷ H2/C0 khác nhau trong syngas được thể hiện trên Hình 1.09 Ở chế độ tải nhỏ, do quá trình cháy kém nên phát thải độc hại HC cao Khỉ tăng tải thì nhiệt độ quá trình cháy tăng lên do đó quá trình cháy kiệt hơn nên phát thải HC giảm Ở chế độ hiệu suất cao nhất, phát thải HC đo được là 14, 36 và 45 ppm đối với tỷ lệ H2/CO là 100%, 75% và 50% tương ứng Khi ở chế độ tải lớn hơn 80%, phát thải HC có xu hướng tăng lên do quá trình cháy không kiệt bởi hỗn hợp quá đậm

Phát thải NOX giảm cố nguyên nhân là do áp suất và nhiệt độ cực đại bên trong xylanh giảm xuống Mặt khác, đối với động cơ diesel ở chế độ cháy nghèo, phát thải NOx rất thấp Với nhiên liệu có tỷ lệ H2/CO lớn, phát thải NỌx cao hơn

25

chủ yếu là do nhiệt độ cháy H2 cao hơn so với co Ở chế độ tải trung bình và lán,

do quá trình cháy triệt để hơn nên áp suất và nhiệt độ trong xylanh tăng lên dẫn tới tăng hàm lượng phát thải NOx Phát thải NOx cao nhất đối với trường hợp syngas có 100% H2, đến 75 và 50% tương ứng 220, 175 và 127 ppm Ở chế độ tải vừa và nhỏ (từ 20 đến 40%), phát thải NOx đều giảm đổi với tất cả các trường hợp do hỗn hợp nhạt nên quá trình cháy kém dẫn tới áp suất và nhiệt độ trong xylanh giảm

225

Hình 1,14 Phát thải NOx theo tải trọng ứng với các tỷ lệ H2/C0 khác nhau

1.7.2 Các nghiên cứu trong nưởc

Tại Việt Nam, một số tác giả nghiên cứu đặc tính động cơ sử dụng nhiên liệu kép: Diesel-Biogas, Diesel-LPG, Diesel-CNG Một số nghiên cứu tiêu biểu như:

• Bùi Văn Ga và cộng sự [5],[ 1 ] nghiên cứu ứng dụng biogas-diesel cho động

cơ lắp trên phương tiện cơ giới đường bộ phục vụ giao thông nông thôn Việt Nam Các tác giả đã phát triển bộ trộn biogas-diesel dùng riêng động cơ dual fuel với sự đồng đều của hỗn hợp giúp động cơ hoạt động ổn định vớỉ các điều kiện vận hành Xác định hệ sổ tương đương tốt nhất cho chế độ vận hành của động cơ dual-fuel tương thích với các chế độ tốc độ, độ mở van cung cấp và vị trí bướm ga khác nhau Ngoài ra, trên cơ sở tối ưu hệ số tương đương, tác giả đã trình bày được sự ảnh hưởng của hệ số này đến các thông

số đặc tính công suất, sự cháy và vận hành thực tế của động cơ dual-fuel;

• Nguyễn Văn Long Giang và cộng sự [4] nghiên cứu điều khiển hỗn hợp

26

LPG-Dỉesel trong động cơ diesel Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cung cấp nhiên liệu trong động cơ Diesel sử dụng nhiên liệu kép (LPG- Diesel) Tác giả đã nghiên cứu và chứng minh tỉnh khả thỉ trong ứng dụng nhiên liệu LPG vận hành chế độ lưỡng nhiên liệu LPG-Diesel trên động cơ Diesel nhiều xilanh, trong những điều kiện vận hành cụ thể;

Huỳnh Phước Sơn và cộng sự [7] nghiên cứu phương pháp điều khiển nhiên liệu Nghiên cứu phương pháp điều khiển cung cấp nhiên liệu trên động cơ common rail diesel sử dụng nhiên liệu kép (CNG - Diesel) Các tác giả đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel trên động cơ VIKYNO RV125, cung cấp diesel bằng hệ thống CRDI và phun CNG trên đường nạp, điều khiển động cơ làm việc ổn định, đảm bảo các tính năng kinh tế kỹ thuật và giảm mức phát thải, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng CNG và làm chủ công nghệ chuyển đổi các động cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu kép Tác giả cũng đã đánh giá định lượng cụ thể của kết quả thực nghiệm Đối với động cơ diesel VIKYNO RV125 có tỷ số nén 18:1, với hệ thống điều khiển đã được chế tạo, động cơ làm việc ổn định, công suất được bảo toàn, tiết kiệm nhiên liệu và giảm mức phát thải Ở chế độ tỷ lệ CNG60: mô-men cực đại tăng 1,32 (%), công suất cực đại tăng 3,74 (%); mức phát thải đo theo chu trình thử khí thải ISO 8178

Cl, tại hai điểm đo chính ứng với chế độ công suất và mô-men cực đại, chế

độ tải 100%: co giảm đến 74,5%; HC giảm đến 56,1%; Độ mờ khói giảm đến 51,1% Suất tiêu hao năng lượng giảm từ 1,6% đến 3,6% so với khi động

cơ sử dụng hoàn toàn diesel

27

CHƯƠNG 2 Cơ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Cơ sở lý thuyết đánh giá đặc tính động cơ

2.1.1 Đặc tính công suất

Đặc tính công suất của động cơ liên quan đến các thông số: mômen - Me (N.m), công suất - Ne (kW), suất tiêu hao nhiên liệu - ge (g/kw.h), hiệu suất có ích [14], [15]

- Mômen của động cơ: M e = F.L (N.m)

(2.1) Trong đó: L: chiều dài cánh tay đòn (m)

F: Lục cản của phanh trên băng thủ (N)

- Công suất có ích của động cơ: là công suất có ích của động cơ phát ra tại đuôi trục khuỷu sau đó đuợc truyền đến máy công tác

M.2ĩĩn

(2.2) Trong đó: - Ne: Công suất động cơ (kW)

- p e : áp suất trung bình có ích (Pa)

- v k: Thể tích công tác (lít)

- i : Số xi-lanh -ĩ : số kỳ

- Luợng nhiên liệu động cơ tiêu thụ trong một giờ: