Nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức có tỉ số nén cao sử dụng biogas

Tuy vậy, khi nhu cầu sử dụng biogas làm nhiên liệu chạy động cơ đốt trong cũng như nhu cầu về công suất tiêu thụ tăng cao, cộng thêm sự không đồng nhất về thành phần khí biogas cùng với

Lê Xuân Thạch

Đà Nẵng - Năm 2013

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU

VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC CÓ TỈ SỐ NÉN CAO SỬ DỤNG BIOGAS

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ NHIỆT

Mã số: 62.52.34.01

Người hướng dẫn I: PGS.TS Trần Văn Nam Người hướng dẫn II: GS TSKH Bùi Văn Ga

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU

VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC CÓ TỈ SỐ NÉN CAO SỬ DỤNG BIOGAS

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Lê Xuân Thạch

Đà Nẵng - Năm 2013

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Nếu có gì sai sót, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Tác giả

LÊ XUÂN THẠCH

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 6

1.1 Tình hình sản xuất và ứng dụng biogas trên thế giới và tại Việt Nam 6

1.1.1 Tình hình sản xuất biogas trên thế giới trong những năm gần đây 6

1.1.2 Tình hình sản xuất và sử dụng biogas tại Việt Nam 10

1.2 Biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong 11

1.2.1 Tinh lọc biogas 11

1.2.2 Các tiêu chí xác định tiêu chuẩn đối với khí thiên nhiên và nhiên liệu thay thế khí thiên nhiên 16

1.3 Động cơ đốt trong chạy bằng biogas 19

1.4 Các nghiên cứu sử dụng biogas trên động cơ đánh lửa cưỡng bức 24

1.5 Hiệu quả bảo vệ môi trường do sử dụng biogas làm nhiên liệu 32

1.6 Kết luận và định hướng nghiên cứu của đề tài 33

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ DIESEL SANG ĐỘNG CƠ BIOGAS ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC 35

2.1 Các phương án chuyển đổi động cơ sử dụng nhiên liệu lỏng thành động cơ chạy bằng nhiên liệu biogas 35

2.1.1 Chuyển đổi động cơ xăng 35

2.1.2 Chuyển đổi động cơ diesel 36

2.1.3 Phân tích ưu nhược điểm của các phương án 36

2.2 Chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức 38

2.2.1 Những vấn đề chung 38

2.2.2 Tháo bỏ hệ thống nhiên liệu diesel 40

2.2.3 Giảm tỉ số nén 40

2.2.4 Bổ sung hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas 44

2.2.5 Bổ sung hệ thống đánh lửa 48

2.2.6 Dẫn động bướm ga 52

2.3 Kết luận 55

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH CẤP NHIÊN LIỆU VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ BIOGAS ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC 56

3.1 Giới thiệu phần mềm động lực học thủy khí CFD FLUENT 56

3.2 Lý thuyết dòng chảy rối 57

3.2.1 Giới thiệu 57

3.2.2 Các đặc điểm của dòng chảy rối 58

3.2.3 Các phương trình tổng quát khống chế dòng chảy rối 59

3.2.4 Khép kín hệ phương trình 63

3.3 Lý thuyết quá trình cháy nhiên liệu khí 66

3.4 Lý thuyết quá trình cháy hỗn hợp hòa trộn trước 66

3.4.1 Tổng quan 66

3.4.2 Sự lan tràn của màng lửa 67

3.4.3 Tốc độ màng lửa rối 68

3.4.4 Tốc độ màng lửa chảy tầng 69

3.4.5 Mô hình cháy hỗn hợp hòa trộn trước trong FLUENT 70

3.4.6 Các phương pháp tính nhiệt độ 70

3.5 Lý thuyết quá trình cháy hòa trộn trước cục bộ 72

3.5.1 Tổng quan 72

3.5.2 Tính toán các đại lượng 72

3.5.3 Tốc độ màng lửa chảy tầng 73

3.6 Tính toán mô phỏng dòng chảy trong bộ tạo hỗn hợp động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức chuyển đổi từ động cơ diesel ZH1115 79

3.6.1 Thiết lập mô hình tính toán 79

3.6.2 Kết quả tính toán 81

3.7 Tính toán mô phỏng quá trình cháy hỗn hợp biogas-không khí trong động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức bằng phần mềm FLUENT 88

3.7.1 Thiết lập mô hình tính toán 89

3.7.2 Diễn biến quá trình cháy 91

3.7.3 Ảnh hưởng của dạng buồng cháy đến tính năng động cơ 93

3.7.4 Ảnh hưởng của tỉ số nén 94

3.7.5 Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm 97

3.7.6 Ảnh hưởng của thành phần biogas 99

3.7.7 Ảnh hưởng của độ đậm đặc hỗn hợp đến tính năng động cơ 104

3.8 Kết luận 107

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ LẮP ĐẶT CÁC PHỤ KIỆN CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ DIESEL ZH1115 THÀNH ĐỘNG CƠ BIOGAS ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC 109

4.1 Động cơ diesel ZH1115 109

4.2 Giảm tỉ số nén 110

4.3 Thiết kế lắp đặt hệ thống đánh lửa 110

4.4 Tính toán thiết kế bộ tạo hỗn hợp 112

4.5 Thiết kế cải tạo cơ cấu điều tốc 116

4.6 Qui trình chuyển đổi động cơ diesel 1 xi lanh thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức 118

4.7 Kết luận 120

CHƯƠNG 5 THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ BIOGAS ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC 121 5.1 Mục tiêu thí nghiệm 121

5.2 Hệ thống thí nghiệm 121

5.3 Kết quả và bàn luận 125

5.3.1 Kết quả thực nghiệm 125

5.3.2 So sánh kết quả cho bởi mô phỏng và thực nghiệm 131

5.4 Kết luận 133

KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU 135

CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 138

TÀI LIỆU THAM KHẢO 139

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1 CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ LA TINH:

 Vc Thể tích buồng cháy cần mở rộng thêm, dm3

 Vk Thể tích phần khoét lõm trên đỉnh piston, dm3

 h Chiều cao đỉnh piston cần cắt bớt, mm

 db Đường kính buồng hỗn hợp, mm

 dh Đường kính họng, mm

 an Hệ số dao động của dòng chảy

 vtb Tốc độ trung bình của dòng khí, m/s

 lb Chiều dài buồng hỗn hợp, mm

 ph Độ chân không tại họng, Pa

 s Góc đánh lửa sớm, độ góc quay trục khuỷu

 ct Tỉ số nén sau chuyển đổi

 λ Hệ số dư lượng không khí

 h Hệ số lưu lượng của họng

 nl Khối lượng riêng của nhiên liệu, kg/m3

 kk Khối lượng riêng của không khí, kg/m3

  Hệ số tương đương, độ đậm đặc của hỗn hợp

 v Hệ số nạp

 m Hiệu suất cơ giới

3 CÁC CHỮ VIẾT TẮT:

 A/F Tỉ lệ không khí/nhiên liệu

 MToE Triệu tấn dầu thô qui đổi

 QHV Nhiệt trị thể tích của nhiên liệu, MJ/m3

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần các chất trong biogas 11

Bảng 1.2 Sự cần thiết lọc tạp chất trong biogas đối với các ứng dụng khác nhau 12

Bảng 1.3 Các tiêu chí theo bộ tiêu chuẩn DVGW G 260 18

Bảng 1.4 So sánh tính năng phát điện bằng biogas với những giải pháp khác nhau 19 Bảng 3.1 Giá trị của các hệ số của phương trình 3.32 75

Bảng 3.2 Giá trị các hệ số phương trình 3.34 76

Bảng 3.3 Độ mở bướm ga tính theo phần trăm tiết diện lưu thông ứng với góc mở  80

Bảng 3.4 Tỉ lệ nhiên liệu/không khí lý thuyết theo thành phần CH4 81

Bảng 3.5 Tổng hợp giá trị của  83

Bảng 3.6 Độ dốc các đường cong biến thiên độ đậm đặc của hỗn hợp theo độ mở bướm ga 85

Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật của động cơ ZH1115 109

Bảng 4.2 Hệ số dao động của dòng chảy 113

Bảng 4.3 Kích thước các chi tiết dẫn động trục bướm ga 117

Bảng 5.1 Thông số các thiết bị thí nghiệm 123

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sản lượng biogas ở các nước EU năm 2009 7

Hình 1.2 Phân bố nguồn sử dụng biogas ở Châu Âu năm 2010 và dự báo năm 8

Hình 1.3 Công suất điện chạy bằng biogas ở Châu Âu 9

Hình 1.4 Yêu cầu lọc tạp chất trong biogas đối với các giải pháp sản xuất điện 12

Hình 1.5 Phoi sắt đã bị oxy hóa 15

Hình 1.6 Diatomite Phú Yên 16

Hình 1.7 Máy phát điện chạy bằng biogas 21

Hình 1.8 Sử dụng biogas trong hệ thống đồng sản xuất năng lượng 23

Hình 1.9 Hiệu quả sản xuất năng lượng bằng động cơ nhiên liệu kép và động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng biogas 23

Hình 1.10 Ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu đến nhiệt độ ngọn lửa 25

Hình 1.11 Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến công suất động cơ 25

Hình 1.12 Biến thiên công suất chỉ thị khi động cơ sử dụng hỗn hợp methane – hydrogen theo độ đậm đặc của hỗn hợp (a); theo thành phần hydrogen trong hỗn hợp nhiên liệu (b) 26

Hình 1.13 Giới hạn cháy của hỗn hợp biogas-không khí 26

Hình 1.14 Ảnh hưởng của tỉ số nén đến công suất chỉ thị ở các độ đậm đặc hỗn hợp khác nhau 27

Hình 1.15 Công suất và hiệu suất nhiệt của động cơ 28

Hình 1.16 Bugi tích hợp buồng cháy phụ 29

Hình 1.17 Sơ đồ hiệu quả bảo vệ môi trường khi sử dụng 32

Hình 2.1 Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến tính năng động cơ 38

Hình 2.2 Ảnh hưởng của tỉ số nén động cơ đến công suất 38

Hình 2.3 Góc đánh lửa sớm tối ưu 39

Hình 2.4 Sơ đồ tính toán gia công 42

Hình 2.5 Các dạng piston cải tạo 43

Hình 2.6 Bộ tạo hỗn hợp kiểu Venturi với các lỗ khoan bố trí xung quanh họng 45

Hình 2.7 Họng Venturi với một đường Biogas vào loại cùng chiều 46

Hình 2.8 Họng Venturi với một đường biogas vào loại trực giao 46

Hình 2.9 Van hỗn hợp kiểu màng 47

Hình 2.10 Kết cấu bộ tạo hỗn hợp dạng modul hóa 47

Hình 2.11 Sơ đồ tính toán các kích thước của bộ tạo hỗn hợp 47

Hình 2.12 Sơ đồ hệ thống đánh lửa điện tử AC CDI 49

Hình 2.13 Sơ đồ hệ thống đánh lửa điện tử DC CDI 50

Hình 2.14 Sơ đồ hệ thống đánh lửa điện tử DC CDI dùng cho động cơ 4 xi lanh 51

Hình 2.15 Sơ đồ nguyên lý của bộ điều tốc kiểu li tâm dùng quả văng 53

Hình 2.16 Bộ điều tốc điện tử 54

Hình 2.17 Bộ điều tốc biogas độc lập được dẫn động bởi buli ở đầu trục khuỷu 54

Hình 2.18 Điều tốc biogas – Gatec 20 54

Hình 3.1 Lớp biên rối và lớp phụ nhớt 57

Hình 3.2 Vận tốc tức thời trong dòng chảy rối 58

Hình 3.3 Ảnh hưởng của áp suất đến biến thiên tốc độ cháy methane theo  ở nhiệt độ 400K 74

Hình 3.4 Ảnh hưởng của áp suất đến biến thiên tốc độ cháy theo nhiệt độ ở =1 75 Hình 3.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ cháy chảy tầng của hỗn hợp methane/không khí bị làm bẩn ở p=3,5atm và =1 76

Hình 3.6 Ảnh hưởng của áp suất đến tốc độ cháy chảy tầng của hỗn hợp methane/không khí bị làm bẩn ở T=350K và =1 77

Hình 3.7 Kết quả thực nghiệm biến thiên tốc độ cháy chảy tầng theo tỉ lệ các chất khí làm bẩn hỗn hợp khác nhau 77

Hình 3.8 Ảnh hưởng của CO2 đến tốc độ cháy chảy tầng của hỗn hợp methane/không khí ở 1bar và 298K 78

Hình 3.9 Kết cấu bộ tạo hỗn hợp Mixer_ZH1115 79

Hình 3.10 Chia lưới bộ tạo hỗn hợp 80

Hình 3.11 Độ đậm đặc của hỗn hợp theo số vòng quay 82

Hình 3.12 Độ đậm đặc của hỗn hợp theo độ mở bướm ga 83

Hình 3.13 Độ đậm đặc của hỗn hợp theo góc mở van ball 84

Hình 3.14 Độ đậm đặc của hỗn hợp theo độ mở bướm ga 85

Hình 3.15 Biến thiên độ đậm đặc của hỗn hợp theo độ mở bướm ga 86

Hình 3.16 Biến thiên đường kính tương đương theo thành phần CH4 86

Hình 3.17 Độ đậm đặc của hỗn hợp theo thành phần CH4 trong biogas 87

Hình 3.18 Áp suất tĩnh 87

Hình 3.19 Áp suất động 87

Hình 3.20 Áp suất tổng 87

Hình 3.21 Trường nồng độ CH4 87

Hình 3.22 Trường nồng độ O2 88

Hình 3.23.Trường nồng độ CO2 88

Hình 3.24 Trường tốc độ dòng chảy qua bộ tạo hỗn hợp 88

Hình 3.25 Buồng cháy Omega 89

Hình 3.26 Buồng cháy phẳng 89

Hình 3.27 Diễn biến nồng độ CH4 và nhiệt độ trong quá trình cháy động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức có buồng cháy Omega 90

Hình 3.28 Diễn biến nồng độ CH4 và nhiệt độ trong quá trình cháy động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức có buồng cháy phẳng 91

Hình 3.29 Trường tốc độ ở vị trí 345 của môi chất công tác trong động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức có buồng cháy Omega (a) và buồng cháy phẳng (b) 92

Hình 3.30 Ảnh hưởng của dạng buồng cháy đến biến thiên nồng độ O2 (a) và CH4 (b) trong quá trình cháy của động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức 92

Hình 3.31 Ảnh hưởng của dạng buồng cháy đến biến thiên nhiệt độ trong quá trình cháy của động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức 93

Hình 3.32 Ảnh hưởng của dạng buồng cháy đến áp suất chỉ thị (a) và đồ thị công chỉ thị (b) của động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức 94

Hình 3.33 Ảnh hưởng của tỉ số nén động cơ đến biến thiên nồng độ CH4 trong quá trình cháy 94

Hình 3.34 Áp suất chỉ thị của động cơ biogas có tỉ số nén 9,11 (a) và 16,10 (b)

(n=2200v/ph; biogas chứa 70% thể tích CH4) 95

Hình 3.35 Đồ thị công chỉ thị của động cơ biogas có tỉ số nén =9,11 (a) và 16,10 (b) n=2200v/ph; biogas chứa 70% thể tích CH4 96

Hình 3.36 Biến thiên công chỉ thị chu trình theo tỉ số nén động cơ khi chạy ở tốc độ 2200v/ph (a) và 1500v/ph (b) với góc đánh lửa sớm 40, 30 và 20 97

Hình 3.37 Áp suất chỉ thị pi ứng với các góc đánh lửa sớm φs=20, 30, 40 và 50 khi động cơ chạy ở tốc độ 2200v/ph với biogas chứa 60% (a), 70% (b) và 80% (c) thể tích CH4; đồ thị công ứng với trường hợp biogas chứa 70% thể tích CH4 (d) 97

Hình 3.38 Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến công chỉ thị động cơ khi chạy ở tốc độ 1500v/ph và 2200v/ph với biogas chứa 70% thể tích CH4 98

Hình 3.39 Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến công chỉ thị động cơ khi chạy ở tốc độ 2200v/ph với biogas chứa 60%, 70% và 80% thể tích CH4 98

Hình 3.40 Biến thiên thành phần khối lượng O2 (a) và CH4 (b) trung bình trong buồng cháy động cơ 99

Hình 3.41 Nhiệt độ trung bình của môi chất (=11,63; n=2200v/ph; φs=30o) 100

Hình 3.42 Áp suất chỉ thị của động cơ biogas khi góc đánh lửa sớm φs=20o (a), 30o (b), 40o (c) và 50o (d) ứng với các thành phần nhiên liệu khác nhau (=11,63; n=2200v/ph) 100

Hình 3.43 Biến thiên công chỉ thị chu trình theo thành phần CH4 trong nhiên liệu biogas ứng với các góc đánh lửa sớm khác nhau 101

Hình 3.44 Biến thiên thành phần khối lượng của O2 và CH4 101

Hình 3.45 Biến thiên thành phần khối lượng CO2 102

Hình 3.46 Nhiệt độ trung bình môi chất (=11,63; s=30o; =1,08) 102

Hình 3.47 Áp suất chỉ thị ứng với các thành phần nhiên liệu khác nhau n=2200v/ph (a); n=1500v/ph (b) 102

Hình 3.48 Đồ thị công chỉ thị ứng với các thành phần nhiên liệu khác nhau n=2200v/ph (a); n=1500v/ph (b) 103

Hình 3.49 Biến thiên công chỉ thị của chu trình theo thành phần CH4 103

Hình 3.50 Biến thiên thành phần khối lượng CH4 (a) và O2 (b) 104

Hình 3.51 Hàm lượng CH4 và O2 cuối quá trình cháy 105

Hình 3.52 Nồng độ CO2 105

Hình 3.53 Nhiệt độ trung bình của hỗn hợp khi thay đổi độ đậm đặc 105

Hình 3.54 Áp suất chỉ thị theo độ đậm đặc của hỗn hợp 106

Hình 3.55 Đồ thị công chỉ thị theo độ đậm đặc của hỗn hợp 106

Hình 3.56 Biến thiên công chỉ thị theo độ đậm đặc của hỗn hợp 107

Hình 4.1 Động cơ ZH1115 109

Hình 4.2 Sơ đồ tính toán chiều dày đỉnh piston cần cắt bỏ 110

Hình 4.3 Biến áp đánh lửa 111

Hình 4.4 Bugi 111

Hình 4.5 IC xe máy 111

Hình 4.6 Bình accu 111

Hình 4.7 Cải tạo cốc chặn nước để gắn bugi 112

Hình 4.8 Cụm tì giữ chặt cốc chặn nước 112

Hình 4.9 Lắp đặt cảm biến đánh lửa lên bánh đà và vỏ máy 112

Hình 4.10 Sơ đồ tính toán các kích thước chính của bộ tạo hỗn hợp 113

Hình 4.11 Kết cấu bộ tạo hỗn hợp dùng trên động cơ biogas (ZH1115) 115

Hình 4.12 Dẫn động bướm ga 116

Hình 4.13 Sơ đồ tính toán dẫn động trục bướm ga 117

Hình 4.14 Quan hệ giữa góc xoay trục bướm ga và càng điều khiển 118

Hình 4.15 Động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng biogas được chuyển đổi từ động cơ diesel ZH1115 119

Hình 5.1 Sơ đồ bố trí chung của hệ thống thí nghiệm 122

Hình 5.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 123

Hình 5.3 Bộ tạo hỗn hợp động cơ (a), Cảm biến lực LoadCell PST 100kg (b) 124

Hình 5.4 Encoder 100 xung/vòng (a), Card NI-6009 (b) 124

Hình 5.5 Kết nối các cảm biến vào máy tính điều khiển 125

Hình 5.6 Tiến hành thử nghiệm động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức 125Hình 5.7 Ảnh hưởng của thành phần CH4 trong nhiên liệu biogas đến đường đặc

tính ngoài của động cơ (=12, s=37) 126Hình 5.8 Ảnh hưởng của thành phần CH4 trong nhiên liệu biogas đến đường đặc tính

cục bộ của động cơ 127Hình 5.9 Biến thiên công suất trên đường đặc tính ngoài theo thành phần CH4 trong

biogas ứng với các chế độ tốc độ khác nhau (=12, s=37) 128Hình 5.10 Ảnh hưởng của tỉ số nén đến đường đặc tính ngoài động cơ biogas 128Hình 5.11 Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến đường đặc tính ngoài của động cơ

(=12, biogas chứa 60% CH4) 129Hình 5.12 Biến thiên công suất trên đường đặc tính ngoài của động cơ theo góc đánh

lửa sớm ứng với các chế độ tốc độ khác nhau 130Hình 5.13 So sánh đường đặc tính ngoài động cơ khi chạy bằng diesel, LPG và

biogas 130Hình 5.14 So sánh đường đặc tính moment của động cơ khi chạy bằng diesel, LPG

và biogas ở chế độ đầy tải 131Hình 5.15 So sánh đường đặc tính ngoài động cơ biogas cho bởi mô hình và thực

nghiệm với tỉ số nén 10 (a), 12 (b) và 14 (c) 132Hình 5.16 So sánh đường đặc tính ngoài động cơ ZH1115 khi chạy bằng biogas chứa

70% thể tích CH4 cho bởi mô phỏng và thực nghiệm ứng với góc đánh lửa sớm 20 (a), 40 (b) và 50 (c) 133

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Sự gia tăng các chất khí gây hiệu ứng nhà kính, chủ yếu là CO2, do việc sử dụng năng lượng hóa thạch trong những thế kỷ qua, đã làm bề mặt quả đất ấm dần lên Dẫn đến mực nước biển dâng cao, sa mạc hoang hóa ngày càng mở rộng, thiên tai hạn hán xảy ra bất thường Sự phá vỡ cân bằng vốn có của carbon trong tự nhiên

là nguyên nhân chính của những thảm họa mà loài người phải gánh chịu hiện nay và trong tương lai nếu không có những biện pháp hữu hiệu ngăn chặn kịp thời

Việc nghiên cứu sản xuất và ứng dụng các nguồn năng lượng tái sinh có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời đã và đang được triển khai trên thế giới và Việt Nam Một trong số đó là hướng nghiên cứu sử dụng khí biogas dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong phục vụ mục đích tĩnh tại và phương tiện cơ giới

Giải pháp sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong, đồng thời đạt được cả 3 mục tiêu: tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch, hạn chế phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính và bảo vệ môi trường trong sản xuất và sinh hoạt

Tại Việt Nam động cơ dùng biogas làm nhiên liệu có thể là động cơ biogas do nước ngoài sản xuất với giá thành rất cao; hoặc có thể chuyển đổi từ động cơ xăng hay động cơ diesel để tiết kiệm chi phí đầu tư ban đầu Việc sử dụng các động cơ qua chuyển đổi này, bước đầu đã mang lại hiệu quả kinh tế và giảm ô nhiễm môi trường

rõ rệt Tuy vậy, khi nhu cầu sử dụng biogas làm nhiên liệu chạy động cơ đốt trong cũng như nhu cầu về công suất tiêu thụ tăng cao, cộng thêm sự không đồng nhất về thành phần khí biogas cùng với sự đa dạng về chủng loại và kích cỡ các động cơ cần chuyển đổi, đòi hỏi phải có thêm cácnghiên cứu làm tối ưu hệ thống cung cấp nhiên liệu, nghiên cứu quá trình cháy của động cơ biogas và xác định các thông số cơ bản tối ưu để đảm bảo tính năng của loại động cơ này

Vì vậy, sử dụng động cơ biogas phục vụ cho sản xuất và đời sống ở nông thôn có

ý nghĩa rất quan trọng trong chiến lược an ninh năng lượng ở nước ta Giải pháp

chuyển đổi động cơ diesel truyền thống thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức cho phép tận dụng được lợi thế của động cơ diesel về tốc độ thấp và tỉ số nén cao để nâng cao hiệu quả hoạt động của động cơ với nhiên liệu mới Mặt khác trong quá trình vận hành không tốn nhiên liệu lỏng để phun mồi Điều này giúp nâng cao hiệu quả kinh tế khi sử dụng động cơ biogas

Do đó “Nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức có tỉ số nén cao sử dụng biogas” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

- Xây dựng qui trình chuyển đổi động cơ diesel sang động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng biogas

- Thiết kế chế tạo bộ tạo hỗn hợp biogas và không khí cho động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức

- Xác định tỉ số nén và góc đánh lửa sớm tối ưu của động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức chuyển đổi từ động cơ diesel bằng mô hình và thực nghiệm

3 GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu được tiến hành trên động cơ 1 xi lanh, thay đổi được tỉ số nén, đánh lửa cưỡng bức

Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas và

nghiên cứu chất lượng quá trình cháy của biogas trên động cơ nghiên cứu Từ đó, xác định các thông số tối ưu của động cơ biogas được chuyển đổi từ động cơ diesel bằng

mô hình và thực nghiệm

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, mô hình hóa kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm nhằm đánh giá tính đúng đắn của mô hình

Về lý thuyết:

- Sử dụng phần mềm FLUENT để tính toán, mô phỏng hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas cho động cơ

- Sử dụng phần mềm FLUENT để tính toán, mô phỏng quá trình cháy của động

cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng biogas làm nhiên liệu khi thay đổi các thông số: tỉ số nén, góc đánh lửa sớm, kiểu buồng cháy và thành phần nhiên liệu

Về thực nghiệm:

- Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các phụ kiện chuyển đổi động cơ diesel một xi lanh thành động cơ đánh lửa cưỡng bức

- Chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas

- Thực nghiệm trên băng thử công suất động cơ, nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu, thông số kết cấu và vận hành đến đường đặc tính ngoài của động cơ

5 TÊN ĐỀ TÀI

Nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức có tỉ số nén cao sử dụng biogas

6 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

Đề tài sẽ tiến hànhnghiên cứu làm tối ưu hệ thống cung cấp nhiên liệu, nghiên cứu quá trình cháy của động cơ biogas và xác định các thông số cơ bản tối ưu để đảm bảo tính năng của động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức có tỉ số nén cao chuyển đổi từ động cơ diesel

Góp phần tạo tiền đề cho việc sản xuất các thế hệ động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức làm việc với hiệu suất, công suất cao, suất tiêu hao nhiêu liệu thấp, tuổi thọ lâu dài phục vụ trong ngành nông nghiệp nông thôn nói riêng và kinh tế - xã hội Việt Nam nói chung

7 CẤU TRÚC NỘI DUNG LUẬN ÁN

Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung luận án được chia làm 5 chương trình bày các nội dung chính như sau:

 Chương 1: Nghiên cứu tổng quan (29 trang): Tình hình sản xuất và ứng dụng biogas trên thế giới và tại Việt Nam; yêu cầu, đặc điểm của biogas khi sử dụng làm nhiên liệu; hiệu quả bảo vệ môi trường và tình hình nghiên cứu ứng dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đánh lửa cưỡng bức

 Chương 2: Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel sang động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức (21 trang): So sánh các phương án chuyển đổi động cơ sử dụng nhiên liệu lỏng thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức ứng dụng ở nước ta

và phân tích một cách tổng quát những vấn đề chính cần phải giải quyết khi chuyển đổi một động cơ diesel thành động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng nhiên liệu biogas

 Chương 3: Mô hình hóa quá trình cấp nhiên liệu và quá trình cháy trong động

cơ biogas đánh lửa cưỡng bức (53 trang): Cơ sở lý thuyết và tính toán mô hình hóa quá trình cấp nhiên liệu và quá trình cháy trong động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức trên cơ sở phần mềm động lực học thủy khí CFD Fluent Kết quả tính toán mô phỏng bộ tạo hỗn hợp và quá trình cháy của hỗn hợp biogas - không khí

 Chương 4: Thiết kế chế tạo và lắp đặt các phụ kiện chuyển đổi động cơ diesel ZH1115 thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức (12 trang): Thiết kế chế tạo

và lắp đặt các phụ kiện chuyển đổi động cơ diesel ZH1115 thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức, qui trình vận hành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức, qui trình chuyển đổi động cơ diesel nhiều xi lanh

 Chương 5: Thử nghiệm động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức (14 trang): Trình bày các kết quả nghiên cứu thực nghiệm, bàn luận và so sánh kết quả tính toán

mô phỏng với kết quả thực nghiệm

8 CÁC ĐIỂM MỚI CHỦ YẾU CỦA LUẬN ÁN

1 Nghiên cứu thiết kế chuyển đổi thành công động cơ diesel 1 xi lanh ZH1115 thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức

2 Tính toán mô phỏng bộ tạo hỗn hợp cho phép xác định được các kích thước tối ưu ứng với nhiên liệu biogas chứa hàm lượng CH4 khác nhau

3 Tính toán mô phỏng thành công quá trình cháy của động cơ biogas nhờ phần mềm FLUENT Các kết quả đạt được của mô hình đảm bảo độ tin cậy nhờ kiểm chứng với kết quả thực nghiệm

4 Thiết kế được bộ tạo hỗn hợp kiểu venturie dạng 2 nửa lắp ghép, có thể cấp hỗn hợp ổn định cho động cơ biogas Khi tiết diện lưu thông của ống cung cấp biogas

cố định thì thành phần hỗn hợp ít thay đổi theo độ mở bướm ga và theo tốc độ động

cơ Đối với động cơ ZH1115, khi đường ống cung cấp không khí bằng đường nạp nguyên thủy của động cơ thì đường kính tương đương của ống cung cấp biogas có thể biểu diễn bằng biểu thức D=166.X-0,5443 (mm) với X là tỉ lệ phần trăm (%) của

CH4 trong biogas tính theo thể tích

5 Động cơ biogas chuyển đổi từ động cơ diesel ZH1115 làm việc theo nguyên

lý đánh lửa cưỡng bức ở tốc độ định mức 2200v/ph, tỉ số nén tối ưu nằm trong khoảng

từ 11,5 đến 12,5 Với =12, nhiên liệu biogas chứa 60% CH4 thì góc đánh lửa sớm tối ưu nằm trong khoảng từ 34o đến 42o trước ĐCT khi tốc độ động cơ thay đổi

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

1.1 Tình hình sản xuất và ứng dụng biogas trên thế giới và tại Việt Nam

1.1.1 Tình hình sản xuất biogas trên thế giới trong những năm gần đây

Biogas là sản phẩm từ quá trình phân hủy kỵ khí các phế phẩm trong sản xuất nông nghiệp Thông thường biogas gồm 60-80% methane, 20-40% carbon dioxide và khoảng 1% hydorgen và một số chất khí khác Biogas có thể hóa lỏng ở áp suất từ 200-300bar và có nhiệt trị khoảng 23.400kJ/m3 [35] Khối lượng riêng 1,2kg/m3 và

có chỉ số octan (RON) xấp xỉ 130 [56] Với những tính chất như trên thì biogas có thể được sử dụng để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong thay thế nhiên liệu hóa thạch trong sản xuất điện năng

Dầu mỏ đang dần cạn kiệt đã thúc đẩy các nước phát triển nghiên cứu tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế mang tính bền vững hơn Cộng Đồng Châu Âu đã kêu gọi các nước trong khối thực hiện mục tiêu sử dụng 5,75% nhiên liệu sinh học vào năm

2010 [64] Thị trường thế giới về biogas tăng lên đáng kể trong những năm gần đây và nhiều nước đã phát triển công nghệ biogas hiện đại để cạnh tranh trên thị trường năng lượng thay thế và tiếp nhận các khoản hỗ trợ về bảo vệ môi trường Hàng nghìn trung tâm sản xuất biogas đã được xây dựng ở Châu Âu Đức, Áo, Đan Mạch và Thụy Điển

là những nước đi tiên phong trong phát triển kỹ thuật biogas Tại Trung Quốc, có đến

18 triệu hầm biogas gia đình nông thôn đang hoạt động trong năm 2006 với tiềm năng biogas lên đến 145 tỷ mét khối Ấn Độ hiện có khoảng 5 triệu nhà máy biogas quy mô nhỏ đang hoạt động Các quốc gia khác như Nepal và Việt Nam cũng có một số lượng đáng kể hầm biogas quy mô rất nhỏ hộ gia đình [36]

Phần lớn các hầm biogas ở Châu Á sử dụng công nghệ đơn giản, vì vậy chúng được thiết kế và xây dựng dễ dàng Các nước Mỹ, Canada và Châu Mỹ La Tinh cũng đang phát triển ngành biogas hiện đại trong khuôn khổ các chương trình hỗ trợ của chính phủ về năng lượng thay thế

Tiềm năng biogas được ước tính trên cơ sở các nguồn sinh khối đang tồn tại trên hành tinh Các số liệu thống kê cho thấy con người chỉ mới sử dụng một phần rất nhỏ biogas so với tiềm năng có thể sản xuất được từ các nguồn sinh khối có sẵn Hiệp hội sinh khối Châu Âu (AEBIOM) ước tính năng lượng dựa trên sinh khối có thể tăng

từ 72 triệu tấn dầu thô qui đổi (MToE) năm 2004 lên 220 MToE vào năm 2020 [32] Tiềm năng sản xuất biogas lớn nhất là từ nguồn gốc sinh khối nông nghiệp Theo AEBIOM, Liên minh châu Âu có thể sử dụng một diện tích đất lên đến 20-40 triệu

ha dùng cho sản xuất năng lượng mà không hề gây ảnh hưởng đến nguồn cung cấp thực phẩm [18]

Hình 1.1 Sản lượng biogas ở các nước EU năm 2009 (Nguồn European Biogas Association – EBA)

Biogas là nhiên liệu sinh học được dùng để sản xuất điện năng bằng động cơ chạy nhiên liệu khí ở Châu Âu Mặt khác, loại nhiên liệu này cũng đã được dùng trên phương tiện giao thông, cụ thể như ở Thụy Điển hiện có hơn 4.000 ô tô chạy bằng biogas Mới đây nhất, Thụy Điển đã chế tạo tàu hỏa chạy bằng biogas Tàu hỏa này được lắp hai động cơ xe buýt sử dụng biogas, có thể chở 54 hành khách Quãng đường hoạt động độc lập của tàu là 600km trước khi phải tiếp thêm nhiên liệu và có thể đạt vận tốc lên đến 130km/h [13]

Châu Âu hiện có hơn 4.500 nhà máy sản xuất biogas tại những bãi chôn lấp rác lớn Tốc độ phát triển sản xuất biogas tăng khoảng 6%/năm Những quốc gia có sản lượng biogas trên đầu người lớn là Anh, Thụy Điển, Thụy Sĩ và Hà Lan Hiện nay có ba nước đã ban hành tiêu chuẩn chất lượng biogas gồm Thụy Sĩ, Đức và Thụy Điển [7] Nâng cao chất lượng biogas được thực hiện qua hai bước mà bước chính là loại bỏ CO2 trong nhiên liệu Những tạp chất có hại khác (như tạp chất có chứa lưu huỳnh) phải được loại bỏ trước khi loại CO2

Hình 1.1 giới thiệu lượng biogas sản xuất ở Châu Âu năm 2009 Đức và Anh

là hai nước đi đầu về sản lượng biogas Hình 1.2 cho thấy biogas chủ yếu dùng để sản xuất điện năng và cung cấp nhiệt năng ở hầu hết các nước Châu Âu [7] Ở Áo và Thụy Điển, sản lượng biogas tuy thấp hơn các nước trong vùng nhưng được dùng chủ yếu để chạy ô tô

Hình 1.3 cho thấy công suất điện sản xuất từ biogas tăng gấp 3 lần từ năm

2000 đến 2010 [7] Điện năng tạo ra từ nhiên liệu biogas chủ yếu được sản xuất bằng động cơ đốt trong sử dụng biogas Công suất động cơ thay đổi trong phạm vi rộng từ vài trăm kW đến nhiều MW Mặt khác, microturbine cũng được dùng để sản xuất điện năng bằng biogas có công suất trong khoảng 30-250kW

Hình 1.2 Phân bố nguồn sử dụng biogas ở Châu Âu năm 2010 và dự báo năm 2020

Hình 1.3 Công suất điện chạy bằng biogas ở Châu Âu

Ở khu vực Châu Á, Philippines đã có hơn 653 hệ thống biogas từ chất thải gia súc được xây dựng trong những năm gần đây Các hệ thống này đã đem lại những lợi ích thiết thực về giảm thiểu môi trường và giải quyết vấn đề năng lượng ở nông thôn

Từ năm 2000 đến nay, đã có 9 công ty chuyên xây dựng và cung cấp thiết bị biogas được thành lập ở Philippines [1] Tại Thái Lan, năm 2011, biogas từ chất thải được

sử dụng để sản xuất điện với tổng công suất lên đến 138MW và sản xuất nhiệt với sản lượng là 0,379 MToE Chính phủ Thái Lan đã đặt ra kế hoạch đến năm 2021, lượng điện sản xuất từ biogas đạt 600MW và lượng nhiệt từ biogas sẽ đạt 1 MToE [24].Nepal đã có hơn 100.000 công trình biogas được xây dựng ở nông thôn trong những năm đầu của thế kỷ 21 Tại Ấn Độ, biogas được sản xuất từ chất thải nông nghiệp ở qui mô gia đình, thường được gọi là Gober gas Đến nay, ước tính có hơn 2 triệu hầm biogas với qui mô hộ gia đình ở Ấn Độ và đã có nhiều thử nghiệm chạy máy phát điện qui mô nhỏ bằng biogas Kết quả cho thấy sử dụng biogas để chạy máy phát điện có thể làm giảm đến 40% giá thành so với chạy bằng nhiên liệu dầu mỏ Ngay từ những năm 1980, Trung Quốc đã xây dựng các hầm biogas qui mô lớn và

cỡ trung ở các trại chăn nuôi Trong mười năm trở lại đây, Trung Quốc đã thực hiện một bước tiến đáng kể trong sản xuất và sử dụng biogas qui mô gia đình Năm 2005

đã có hơn 15 triệu hầm biogas qui mô gia đình với sản lượng biogas lên đến trên 5,6

1.1.2 Tình hình sản xuất và sử dụng biogas tại Việt Nam

Từ khoảng hơn mười năm nay, việc sử dụng biogas đã trở nên quen thuộc đối với người dân Việt Nam Thông thường hầm biogas được xây bằng gạch hoặc bê tông Nhược điểm của các loại hầm này là dễ bị lún nứt, nhất là hầm bê tông, gây rò khí ra ngoài và không có khả năng tự phá váng Hầm gạch, hầm bê tông đòi hỏi phải nạp nguyên liệu (phân gia súc) nhiều và liên tục, vì vậy việc lên men kỵ khí không đạt mức tối ưu, áp lực khí thường chỉ đạt khoảng 5cm cột nước, không có khả năng

tự điều tiết áp lực, phải có túi chứa khí rất cồng kềnh

Để khắc phục những nhược điểm trên, những năm gần đây, người ta đã sản xuất thành công loại bể biogas bằng chất liệu nhựa composite siêu bền Với loại bể biogas mới này, những nhược điểm nêu trên của hầm gạch, hầm bê tông đã căn bản được khắc phục: Hầm không bị rò khí, không bị axit ăn mòn, có khả năng tự đẩy bã phân ra khỏi bể mà không phải bật nắp hầm lên để thao tác bằng tay Khi hút cặn (như

bã thải hay cát sỏi) dưới đáy hầm, bếp ga vẫn hoạt động bình thường Do chịu được

áp suất cao nên hiệu suất sinh khí của hầm nhựa rất lớn, có khả năng tự phá váng để chuyển hóa lên men kỵ khí 100%, áp lực khí gas của hầm nhựa rất cao, đạt tới 1,6m cột nước so với áp lực 5cm cột nước của hầm bê tông, hầm gạch Nhờ những ưu điểm vượt trội này, hầm biogas composite rất được người dân ưu chuộng

Tuy biogas đã được phổ biến rộng rãi nhưng việc sử dụng nó vẫn còn rất hạn chế, chủ yếu dùng để đun nấu Những ứng dụng ban đầu này cũng đã đem lại nhiều lợi ích về tiết kiệm năng lượng và môi trường Theo tính toán, một hầm biogas tiết kiệm được khoảng 2,3 tấncủi đun, tương đương với 0,03 ha rừng mỗi năm Việc sử dụng bã thải sinh học góp phần làm tăng sản lượng cây trồng và rau xanh Riêng các công trình biogas trong Chương trình biogas Việt Nam-Hà Lan hiện nay đã góp phần giảm thiểu 107.000 tấn CO2, tiết kiệm 13.000 tấn than, gần 3.300 tấn dầu lửa và 208.022 bình gas LPG loại 13kg mỗi năm, đáp ứng nhu cầu năng lượng cho 160.000 người chủ yếu ở vùng nông thôn nghèo khó [1]

Nước ta có gần 80% dân số sống ở nông thôn Hoạt động sản xuất và sinh hoạt

ở khu vực này đòi hỏi một nguồn năng lượng rất lớn Sự gia tăng giá xăng dầu và giá

điện trong thời gian gần đây đã và đang gây rất nhiều khó khăn đối với vùng nông thôn Nhu cầu sử dụng nguồn năng lượng tại chỗ để phát điện nhằm giảm chi phí năng lượng đã trở nên rất bức xúc, đặc biệt ở những nơi sản xuất nông nghiệp tập trung, các trại chăn nuôi đã có sẵn hầm biogas

1.2 Biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong

1.2.1 Tinh lọc biogas

Biogas là dạng nguồn năng lượng tái sinh Nó thường được dùng để chỉ khí sinh học được sản xuất từ sự phân hủy kỵ khí hay lên men của chất hữu cơ bao gồm các chất thải gia súc, rác thải, các chất thải phân rã sinh học khác trong điều kiện thiếu không khí Biogas cơ bản chứa methane (CH4), khí carbonic (CO2) và các tạp chất khác như là H2S, N2, CO,…

Chất thải trong nông nghiệp

Bãi chôn lấp rác

Bảng 1.2 giới thiệu sự cần thiết phải lọc các tạp chất phụ thuộc vào phương tiện sử dụng biogas

Siloxanes có thể loại trừ bằng cách hấp thụ trong môi trường lỏng (một hỗn hợp hydrocarbon với chất có khả năng đặc biệt hấp thụ silicon) Chất hấp thụ có thể tái sinh bằng cách gia nhiệt để giải hấp thụ Ngoài ra, có thể dùng phương pháp vật

lý làm lạnh hỗn hợp khí Khi làm lạnh biogas, siloxanes được tách ra cùng với nước ngưng tụ Hiệu quả lọc phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất cũng như dạng siloxanes có mặt trong biogas Giải pháp lọc tin cậy là kết hợp giữa làm lạnh và chất hoạt tính Sau khi làm lạnh, biogas được nâng lên nhiệt độ khoảng 10°C trước khi dẫn qua lọc bằng carbon hoạt tính

Hình 1.4 Yêu cầu lọc tạp chất trong biogas đối với các giải pháp sản xuất điện khác nhau Bảng 1.2 Sự cần thiết lọc tạp chất trong biogas đối với các ứng dụng khác nhau

Động cơ tĩnh tại <1000ppm Không cần Không ngưng tụ

Hệ thống khí thiên nhiên

CO2 là khí chiếm tỉ lệ lớn thứ hai trong biogas CO2 và CH4 thường chiếm đến 95% đến 99% thể tích khí sinh học Nhiệt lượng trên đơn vị thể tích biogas có thể

Làm khô Lọc Khử lưu

huỳnh

Khử các tạp chất

Lò hơi

Sản xuất điện (động cơ đốt trong)

Sản xuất điện (pin nhiên liệu, turbine)

tăng lên khá đáng kể nếu loại bỏ CO2 trong nhiên liệu Ví dụ biogas chứa 55% CH4

và 45% CO2 nếu được loại trừ hoàn toàn CO2 thì nhiệt lượng trên một đơn vị thể tích của khí tăng đến 1,8 lần so với nhiên liệu thô ban đầu

Việc loại bỏ CO2 cũng yêu cầu phải thực hiện khi lưu trữ biogas nhằm làm giảm thể tích của thiết bị chứa Sự hiện diện của CO2 trong biogas ảnh hưởng đáng

kể đến việc sử dụng nhiên liệu này trên động cơ đốt trong Lượng biogas chứa 50%

CH4 phải gấp 3,7 lần thể tích nhiên liệu chứa 100% CH4 để đảm bảo cùng công suất động cơ

Tuy nhiên, trong nhiều mục đích sử dụng và ở hầu hết hệ thống công suất nhỏ, việc loại bỏ CO2 có thể không cần thiết

CO2 trong biogas có thể được loại bỏ bằng cách cho khí lội qua nước có chứa bất kỳ chất kiềm nào, chẳng hạn như hydroxit canxi Ca(OH)2, do CO2 và nước hình thành acid carbonic:

Ngoài ra có thể lọc CO2 bằng phương pháp nén và làm lạnh Áp suất ngưng tụ

của CO2 thấp hơn nhiều so với CH4 ở cùng nhiệt độ Do đó trước khi nén biogas vào bình chứa áp suất cao, có thể cho biogas đi qua công đoạn nén ngưng tụ CO2 ở điều kiện nhiệt độ và áp suất phù hợp CO2 dạng lỏng sau đó sẽ được thu hồi cho những mục đích sử dụng khác Quá trình này không cần hóa chất nhưng chỉ phù hợp với những trạm cung cấp biogas công nghiệp qui mô lớn

H2S có thể được lọc bằng một trong các cách sau:

- Phương pháp hấp thụ bằng Na2CO3

Khi cho biogas đi qua dung dịch chứa carbonate natri, H2S và CO2 bị giữ lại:

Nếu quá trình tiếp tục, sulfide natri Na2S tác dụng với H2S và hình thành hydrosulfide natri:

Na2S+H2S  2NaHS

- Phương pháp hòa tan trong nước

Lọc nước được dùng để loại bỏ CO2 và H2S trong biogas vì những chất khí này hòa tan trong nước mạnh hơn methane Quá trình này thuần túy là hấp thụ vật lý

H2S có thể hòa tan trong nước với mức 2,6 thể tích khí trong 1 thể tích nước ở 20C Khi cho dòng khí chạy ngược chiều với dòng nước kết hợp với lắc mạnh sẽ giúp quá trình hòa tan H2S và CO2 vào nước dễ dàng hơn

Thông thường biogas được đưa vào ở phần dưới tháp lọc và nước được bơm vào phía đỉnh tháp lọc Khí và nước đi ngược chiều nhau H2S hòa tan vào nước tốt hơn CO2 Nước rời khỏi cột lọc có chứa H2S và CO2 có thể được tái sinh và đưa trở lại vào lọc

Ưu điểm của phương pháp này là không sử dụng hóa chất mà vẫn có thể lọc đồng thời CO2 và H2S Nhược điểm là phải sử dụng một lượng nước lớn ngay cả khi tái sinh nước cũng như giới hạn lọc H2S vì CO2 làm giảm pH của dung dịch

- Phương pháp catalyst vi sinh

Oxy hóa sinh học hiện nay là một trong những phương pháp dùng phổ biến nhất ở những trạm biogas qui mô lớn Phương pháp này bao gồm phun một lượng không khí nhỏ (khoảng 2-8%) vào biogas Lượng không khí tối thiểu cần thiết để xử

lý H2S được xác định bằng thực nghiệm Oxy trong không khí đóng vai trò

bio-catalytic, tách lưu huỳnh trên bề mặt bùn Phương pháp đơn giản này hoạt động tốt khi biogas được lưu trữ trên bề mặt lớp bùn vì các

vi khuẩn cần độ ẩm, nhiệt độ (tối ưu khoảng 35-37C) và chất dinh dưỡng

- Phương pháp hấp phụ bằng vôi hoặc bằng vật liệu chứa sắt

Phương pháp thông dụng nhất để loại trừ

H2S là cho biogas đi qua buồng lọc có chứa rỉ sắt Một trong những phân tử tìm thấy trong rỉ sắt là oxide ferric Fe2O3 Khi chúng phản ứng với H2S, sản phẩm sinh ra là sulfide ferric (Fe2S3) Ít khi phản ứng sinh ra sulfide ferrous (FeS) hay lưu huỳnh (S) Cả hai chất sulfide ferric và sulfide ferrous đều rất không ổn định Khi có sự hiện diện của oxy chúng bị biến thành Fe2O3 và sinh ra nhiệt, vì vậy phải thận trọng khi phơi những sulfide này trong không khí trong quá trình thực hiện việc tái sinh lọc

Cho một lượng nhỏ không khí đi từ từ vào bầu lọc là cách để tái sinh lọc nhưng nếu phơi toàn bộ Fe2S3 và FeS trong không khí ngay lập tức có thể gây nguy hiểm do lượng nhiệt tỏa ra lớn Mặt khác các phản ứng cũng phụ thuộc dạng ngậm nước của ferric hay oxide sắt Điều này có nghĩa là chúng cần có các phân tử nước đi kèm Nếu nhiệt làm toàn bộ nước bốc hơi, rỉ sắt không còn chức năng lọc H2S

Phoi sắt đã bị oxy hóa là chất rắn hấp phụ rất tốt khí H2S theo cơ chế hấp phụ hóa học Phoi sắt lấy từ các cơ sở gia công cơ khí được oxy hóa để tạo thành một lớp oxyt sắt trên bề mặt Quá trình này có thể thực hiện một cách tự nhiên bằng cách phơi phoi sắt ngoài không khí một thời gian hoặc đốt để tăng tốc độ oxy hóa Phản ứng oxy hóa phoi sắt diễn ra như sau:

Fe + 1/2 O2 FeO 2Fe + 3/2O2 Fe2O3

3Fe + 2O2 Fe3O4

Hình 1.5 Phoi sắt đã bị oxy hóa

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 sang màu vàng xốp, hoặc đỏ xốp (Hình 1.5) Khi biogas đi qua thiết bị lọc chứa oxyt sắt, H2S được tách ra theo các phản ứng sau:

Fe2O3 + 3H2S  Fe2S3 + 3H2O

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

Khả năng tách H2S của thiết bị giảm dần theo thời gian Khi hiệu suất của thiết

bị giảm thấp, có thể tái sinh lõi lọc bằng cách phơi phoi sắt ngoài không khí Phản ứng tái sinh diễn ra như sau:

Fe2S3 + O2 Fe2O3 + 3S FeS + O2 FeO+ S

- Hấp phụ bằng vật liệu diatomite

Diatomite có tính xốp cao và bền nhiệt Do đó chúng được sử dụng rộng rãi làm chất trợ lọc, chất mang xúc tác và chất hấp phụ Tại Việt Nam, nguồn diatomite

có trữ lượng khoảng 165 triệu tấn, trong đó nhiều nhất là khu vực mỏ tại huyện Tuy

An, Phú Yên với trữ lượng dự báo khoảng 60 triệu tấn (Hình 1.6)

1.2.2 Các tiêu chí xác định tiêu chuẩn đối với khí thiên nhiên và nhiên liệu thay thế khí thiên nhiên

1.2.2.1 Nhiệt trị cháy (Heating Value-HV)

Theo tiêu chuẩn ISO 6976 có thể xác định nhiệt trị cháy của nhiên liệu khí dựa trên thành phần hỗn hợp nhiên liệu khí và các giá trị nhiệt trị cháy tương ứng của các

Hình 1.6 Diatomite Phú Yên

khí thành phần trong hỗn hợp Giá trị nhiệt trị cháy của các khí tiêu biểu có mặt trong nhiên liệu khí (khí thiên nhiên, khí tổng hợp, biogas, ) được cho chi tiết trong tiêu chuẩn này

1.2.2.2 Tỉ trọng tiêu chuẩn (Specific Gravity – SG)

Tỉ trọng tiêu chuẩn của khí là tỉ lệ giữa khối lượng riêng của khí và khối lượng riêng của không khí khô xác định tại cùng nhiệt độ và áp suất được tiêu chuẩn hóa theo tiêu chuẩn ISO 6976 Trong điều kiện áp suất tiêu chuẩn (101,325kPa) có thể xem cả nhiên liệu khí và không khí như khí lý tưởng, khi đó công thức xác định tỉ trọng khí được đơn giản hóa như sau:

1.2.2.3 Chỉ số Wobbe (Wobbe Index)

Chỉ số Wobbe (WI) là thông số quan trọng của khí thiên nhiên và các nhiên liệu thay thế dạng khí khác Đây là giá trị được quy định trong các bộ tiêu chuẩn cung cấp nhiên liệu khí, làm khí đốt hay làm nhiên liệu trong lĩnh vực giao thông vận tải Chỉ số Wobbe được sử dụng để so sánh nhiệt lượng sinh ra trong quá trình cháy của những nhiên liệu khí có thành phần khác nhau Lượng nhiệt sinh ra trong quá trình cháy của nhiên liệu khí tỉ lệ tuyến tính với chỉ số Wobbe [61] Nếu hai loại nhiên liệu

có cùng giá trị chỉ số Wobbe thì các thông số cài đặt liên quan đến áp suất tại van cấp khí và năng lượng đầu ra sẽ giống hệt nhau Chỉ số Wobbe là một yếu tố quan trọng

để giảm thiểu tác động của biến nhiễu trong quá trình cung cấp khí và do đó được sử dụng như một tiêu chuẩn để tăng hiệu quả của các thiết bị sử dụng khí như đầu đốt, turbine khí hay động cơ,…

Chỉ số Wobbe được xác định thông qua giá trị nhiệt trị cháy HV và tỉ trọng tiêu chuẩn của nhiên liệu khí d:

d HV

Tùy thuộc giá trị nhiệt trị cháy là nhiệt trị cao hay nhiệt trị thấp mà ta cũng có chỉ số Wobbe cao và thấp [41] Tiêu chuẩn về chỉ số Wobbe được quy định cụ thể trong bảng tiêu chuẩn về nhiên liệu khí ở châu Âu (Bảng 1.3) Theo quy định của châu Âu, có hai nhóm nhiên liệu khí: nhóm có nhiệt trị cháy cao (nhóm H) và nhóm

có nhiệt trị cháy thấp (nhóm L) Nhóm H dành cho khí có chứa một lượng lớn methane

và kèm theo một số hydrocarbon khác Nhóm L dành cho khí có chứa ít methane hơn

và chứa một lượng đáng kể nitơ hoặc khí carbonic

Bảng 1.3 Các tiêu chí theo bộ tiêu chuẩn DVGW G 260

Tiêu chuẩn Ký hiệu Đơn vị Nhóm L Nhóm H Ghi chú

sai lệch Nhiệt trị cháy HV kWh/m

3

MJ/m3

8,4 – 13,1 30,2 – 47,2

Cho phép sai lệch

Chỉ số Wobbe WI kWh/m

3

MJ/m3

10,5 – 13,0 37,8 – 46,8

12,8 – 15,7 46,1 – 56,5

Quy định nghiêm ngặt 1.2.2.4 Chỉ số methane (Methane Number)

Chỉ số methane cho biết khả năng chống kích nổ của nhiên liệu khí khi sử dụng trong động cơ đốt trong, tương tự như chỉ số octane (ON) của xăng Thang đo của chỉ số octane không phù hợp với khí thiên nhiên khi mà giá trị đặc trưng của chỉ số octane của khí thiên nhiên thường nằm trong khoảng 115-130 và giá trị chỉ số octane của methane là 140

Để thể hiện đặc thù về khả năng chống kích nổ của các loại nhiên liệu khí, người ta đưa ra khái niệm mới, đó là chỉ số methane (MN) Chỉ số này được tổ chức tiêu chuẩn quốc tế ISO đề xuất và phát triển [22] Theo tiêu chuẩn này, khả năng chống kích nổ của nhiên liệu khí được xác định dựa vào hỗn hợp quy chiếu là methane tinh khiết (MN=100) và hydro (MN=0) Nếu trong thành phần nhiên liệu khí có lẫn nhiều hydrocarbon nặng thì khả năng chống kích nổ hay chỉ số methane (MN) sẽ giảm Với nhiên liệu khí có chứa thành phần CO2, khí có khả năng chống kích nổ cao thì chỉ số methane của loại nhiên liệu khí này sẽ tăng Biogas chứa một lượng lớn khí

CO2, do vậy trong quá trình lọc loại bỏ khí CO2 cần lưu ý đến khả năng chống kích

nổ phù hợp với động cơ sử dụng

Quan hệ giữa chỉ số octane động cơ (MON) và chỉ số Methane (MN) của nhiên liệu khí có thể được biểu diễn bởi công thức sau [7]:

Với x là thành phần mol của các khí thành phần tương ứng có trong hỗn hợp

Theo tiêu chuẩn châu Âu, giá trị của chỉ số methane đối với nhiên liệu khí phải nằm trong khoảng 70-100 Phụ lục 1 thể hiện tiêu chuẩn biogas qui định ở một số nước phát triển ở châu Âu

1.3 Động cơ đốt trong chạy bằng biogas

Động cơ đốt trong sử dụng biogas làm nhiên liệu có thể là động cơ đánh lửa cưỡng bức hay động cơ nhiên liệu kép Động cơ nhiên liệu kép phun khoảng 10% đến 20% nhiên liệu diesel mồi được sử dụng rộng rãi ở dải công suất nhỏ vì phương

án này có hiệu quả phát điện cao Tuy nhiên chúng lại có nhược điểm là mức độ phát thải cao hơn Mặt khác, phương án này có thuận lợi là khi không còn biogas, động cơ vẫn có thể chạy hoàn toàn bằng diesel [7]

Bảng 1.4 So sánh tính năng phát điện bằng biogas với những giải pháp khác nhau

Tiêu chí

Động cơ xăng đánh lửa cưỡng bức

Động cơ nhiên liệu kép

Động cơ đánh lửa cưỡng bức chuyển đổi từ động cơ diesel

Micro turbine

Động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng hệ thống đánh lửa truyền thống và bộ tạo hỗn hợp biogas/không khí Động cơ này có thể làm việc với thành phần hỗn hợp vừa đủ hay nghèo Động cơ cỡ lớn thường làm việc với hỗn hợp nghèo ( < 1) để tăng tính hiệu quả Bảng 1.4 so sánh tính năng phát điện bằng biogas với những giải

pháp khác nhau Hầu hết công nghệ phát điện bằng nhiên liệu biogas hiện nay đều sử dụng động cơ đốt trong

Lĩnh vực sử dụng biogas để phát điện qui mô lớn, trên thế giới hiện nay đã sản xuất và thương mại hóa các động cơ chuyên dùng sử dụng biogas làm nhiên liệu như hãng GE Energy Jenbacher - Úc, có công suất từ 330kW đến 3MW [14], hoặc hãng Jinan Diesel Engine Co., Ltd của Trung Quốc sản xuất các động cơ biogas chuyên

dùng có công suất từ 150-660kW [17]

Các động cơ thiết kế chuyên dùng cho biogas thường có giá thành cao hơn rất nhiều so với động cơ sử dụng xăng dầu truyền thống Công ty Yanmar (Nhật Bản) đã thương mại hóa máy phát điện chạy bằng biogas (từ tháng 12 năm 2007) với giá 106.000USD cho một máy có công suất 25kW [4] Hoặc như Hãng Shandong Shengdong Power Machinery của Trung Quốc [16] thương mại hóa các máy phát điện chạy bằng biogas có công suất từ 120kW đến 500kW với giá thay đổi từ 52.000USD đến 137.000USD, cao hơn gấp 3 lần so với máy phát điện chạy bằng diesel cùng cỡ (so sánh với bảng giá của trang web vatgia.com, máy phát điện diesel CUMMINS CW150S, 150KVA giá 16.479USD, máy phát điện diesel 600KVA giá 43.406USD [3]) Nhiên liệu biogas sử dụng cho động cơ này phải thỏa mãn một số điều kiện như thành phần nhiên liệu, áp suất cung cấp, v.v Những động cơ biogas chuyên dụng này chỉ chạy được bằng biogas, không chạy được bằng nhiên liệu lỏng

Một số động cơ cỡ nhỏ (công suất khoảng vài kW) chạy bằng biogas của Trung Quốc (như động cơ FYG2500 công suất 2kW của hãng Feigue, HW3500 công suất 3kW của hãng Huawei) có kết cấu đơn giản làm việc theo nguyên lý động cơ đánh lửa cưỡng bức Do cung cấp biogas trực tiếp cho động cơ qua bộ chế hòa khí đơn giản, điều chỉnh tải bằng cách thay đổi lượng hỗn hợp cung cấp cho động cơ (điều chỉnh theo lượng) không có bộ điều tốc tác động phía biogas nên tốc độ động cơ không ổn định, động cơ thường tắt máy khi tải tăng đột ngột [7]

Để sản xuất 1kWh điện, động cơ tiêu thụ khoảng 1m3 biogas [2] Vì vậy, để

có thể sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ trong thực tiễn, hầm biogas phải sản sinh ít nhất 10m3 biogas mỗi ngày Do đó, những hầm biogas quá nhỏ không phù

hợp với mục đích sử dụng trên động

cơ đốt trong

Động cơ đốt trong tĩnh tại chạy bằng biogas chủ yếu dùng để kéo máy phát điện và các máy công tác phục

vụ sản xuất và đời sống ở nông thôn (Hình 1.7)

Vì biogas có năng lượng thể tích thấp hơn khí thiên nhiên hay diesel nên công suất động cơ có thể bị giảm khi chuyển sang chạy bằng biogas Mức giảm này có thể lên đến 13% so với động cơ chạy bằng khí thiên nhiên Mặt khác, độ giảm công suất có thể gia tăng nếu không điều chỉnh góc đánh lửa sớm, thay đổi kích cỡ bugi và khe hở các cực, góc

độ phối khí…

Khi chuyển đổi động cơ xăng sang chạy bằng biogas, công suất định mức của nó có thể giảm đến 30% Có thể tăng công suất định mức động cơ biogas nhờ tăng tỉ số nén động cơ lên =11-12 nhưng điều này lại làm tăng tải cơ và tải nhiệt lên động cơ

Động cơ diesel có thể chuyển sang chạy bằng biogas theo một trong hai cách sau:

- Động cơ nhiên liệu kép: Bổ sung bộ chế hòa khí để cung cấp biogas và cơ cấu chỉnh lượng phun diesel tối thiểu để đánh lửa mồi Động cơ nhiên liệu kép thường sử dụng 10-20% nhiên liệu diesel để đánh lửa mồi Biogas có thể thay thế đến 80% nhiên liệu diesel Thông thường tính năng động cơ nhiên liệu kép biogas-diesel tương đương với tính năng của động cơ khi chạy hoàn toàn bằng diesel

Khi lượng diesel của ngọn lửa pilot cao, động cơ có thể bị kích nổ làm tăng áp suất và nhiệt độ động cơ Persson (1981) cho rằng góc đánh lửa sớm tối ưu của động

Hình 1.7 Máy phát điện chạy bằng biogas

cơ nhiên liệu kép là 24 trước ĐCT [49] Khi động cơ nhiên liệu kép làm việc với hỗn hợp methane-không khí nghèo, thành phần các chất ô nhiễm trong khí thải giảm

- Chuyển đổi thành động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng biogas: Tỉ số nén động cơ cần giảm xuống còn khoảng =11-12 và trang bị hệ thống cung cấp biogas Do đặc thù biogas có chứa một tỉ lệ nhất định CO2 nên hỗn hợp biogas-không khí có tốc độ cháy chậm và khả năng chống kích nổ tốt hơn, nghĩa là có thể làm việc với động cơ có tốc độ thấp và tỉ số nén cao [50], [51] Vì vậy, tỉ số nén cao và kết cấu bền vững của động cơ diesel là ưu điểm chính khi chuyển đổi thành động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng biogas nghèo

Phối hợp tạo năng lượng được định nghĩa là việc sản sinh đồng thời hai hay nhiều dạng năng lượng từ một nguồn nhiên liệu (CHP) Thông thường là năng lượng điện và năng lượng nhiệt dưới dạng nước nóng (Hình 1.8) Ví dụ như khi tận dụng lượng nhiệt thải ra từ động cơ kéo máy phát điện dùng để sưởi, làm nóng nước hay chạy máy lạnh hấp thụ, hoặc sử dụng biogas để chạy lò hơi cung cấp hơi nước cho turbine hơi và tận dụng nhiệt thừa để đun nước nóng…

Động cơ đốt trong thường được dùng nhất trong hệ thống CHP vì giá thành thấp, dễ chuyển đổi nhiệt Turbine khí (microturbine có công suất 25-100kW, turbine lớn có công suất lớn hơn 100kW) có hiệu suất tương đương với động cơ đánh lửa cưỡng bức có thể được sử dụng trong hệ thống CHP để sản xuất đồng thời nhiệt năng

và cơ năng Việc sử dụng biogas trong các hệ thống này đòi hỏi phải lọc sạch hơi nước và lọc H2S xuống dưới 1.000ppm [15]

Trong thực tế sử dụng, người ta cố gắng sao cho sự phối hợp tạo năng lượng đem lại hiệu quả cao nhất có thể được trong khoảng thời gian dài nhất Nếu biogas có

đủ để sản xuất 1.000kWh điện mỗi ngày thì việc sản xuất 50kW trong 20 giờ mỗi ngày sẽ hiệu quả hơn là chạy 100kW trong 10 giờ mỗi ngày

Khi tính toán tải nhiệt của quá trình, cần xem xét chất lượng nhiệt thu hồi được Nguồn năng lượng dự trữ có thể được bổ sung cho nguồn năng lượng này trong quá trình sử dụng Ví dụ để khống chế nhiệt độ của hệ thống kỵ khí có thể phải cần đến hơn 40% năng lượng chứa trong biogas để duy trì nhiệt độ

Hình 1.8 Sử dụng biogas trong hệ thống đồng sản xuất năng lượng

Hiệu quả sử dụng năng lượng đối với hệ thống đồng sản xuất điện năng và nhiệt năng sử dụng động cơ nhiên liệu kép biogas-diesel và động cơ biogas được giới thiệu trên Hình 1.9

Hình 1.9 Hiệu quả sản xuất năng lượng bằng động cơ nhiên liệu kép

và động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng biogas

Điện năng Chất thải

Xử lý sơ bộ

Chuẩn bị nguyên liệu

Bùn

Bộ trao đổi nhiệt

1.4 Các nghiên cứu sử dụng biogas trên động cơ đánh lửa cưỡng bức

Derus (1983) đề nghị thành phần tối thiểu của methane trong biogas dùng cho động cơ 4 kỳ là 35% với nhiệt trị 14,89MJ/m3 [26] Mặt khác hỗn hợp methane và carbonic không thể cháy được nếu thể tích carbonic lớn hơn 3 lần so với thể tích methane (Coward 1952) [25]

Jewell và các cộng sự (1986) cho rằng hiệu suất điện tối ưu đạt được 26% khi

hệ thống đồng sản xuất năng lượng hoạt động ở tỉ lệ tương đương 0,8-0,9 Hiệu suất này giảm xuống dưới 20% đối với hỗn hợp giàu với tỉ lệ tương đương tăng lên đến 1,3 Hiệu suất tối ưu đạt được đối với hỗn hợp nghèo cũng được nhiều tác giả khác công

bố Neyeloff (1981) khẳng định hiệu suất tối ưu đạt được khi tỉ lệ khối lượng không khí-nhiên liệu methane nằm trong khoảng 7,69-11,76 [48]

Jewell (1986) đề xuất góc đánh lửa sớm tối ưu của động cơ 25kW chạy bằng biogas chứa 60% methane nằm trong khoảng 33 đến 45 trước ĐCT [38] Walsh (1986) đưa ra các kết quả nghiên cứu cho thấy động cơ 55kW sử dụng biogas tương

tự có góc đánh lửa sớm tối ưu là 45 trước ĐCT

Sự hiện diện của một lượng lớn các chất pha loãng biogas làm giảm nhiệt trị cũng như chỉ số Wobbe của biogas khi so sánh với khí thiên nhiên Nhiệt sinh ra từ quá trình cháy bị các chất pha loãng hấp thụ Điều này làm giảm nhiệt độ cháy và cũng là nguyên nhân làm giảm tốc độ làn tràn màng lửa Khi tỉ lệ CO2 trong biogas càng cao thì lượng nhiệt bị hấp thụ bởi CO2 càng tăng, dẫn đến nhiệt độ cháy giảm đáng kể (Hình 1.10) Nếu sấy nóng hỗn hợp khí nạp sẽ làm tăng nhiệt độ ngọn lửa nhưng lại dẫn đến việc CO2 bị phân giải tạo ra nhiều CO hơn theo khí thải đi ra ngoài môi trường

Đối với động cơ đánh lửa cưỡng bức, cần tăng thời điểm đánh lửa sớm hơn để

có đủ thời gian cho ngọn lửa biogas lan tràn nhằm nhận được công chỉ thị cao hơn Hình 1.11 cho thấy ví dụ về ảnh hưởng của thời điểm đánh lửa đến công suất động

cơ [46]

Năm 1992 G A Karim và I Wierzba thuộc đại học Calgary đã nghiên cứu về các đặc tính nhiệt động lực và động lực của quá trình cháy của hỗn hợp methane-khơng khí cĩ sự hiện diện của CO2 [40] Sau đấy, G A Karim tiếp tục mơ tả hiện tượng cháy biogas trong động cơ đốt trong [20], [21] Để nâng cao các giới hạn cháy của biogas như là tốc độ cháy thấp và giới hạn khả năng cháy, K Tanoue đã nghiên cứu việc bổ sung thêm hydro vào hỗn hợp methane nghèo [60] Ý tưởng của việc thêm hydro vào khí thiên nhiên cũng đã được nghiên cứu trước đĩ nhằm nâng cao khả năng cháy của khí thiên nhiên trong động cơ đốt trong [20] Hiệu suất nhiệt của động cơ đánh lửa cưỡng bức dùng nhiên liệu khí methane được cải thiện khi bổ sung một lượng tương đối nhỏ hydro Điều này càng rõ nét hơn khi động cơ làm việc với hỗn hợp cĩ độ đậm đặc nhỏ hơn 1 khá nhiều nhờ khả năng cháy nhanh hơn và cháy sạch hơn của nhiên liệu hydro so với methane Suất tham dự tối ưu của hydro để đảm bảo tăng cơng suất động cơ mà khơng để xảy ra hiện tượng cháy kích nổ là khoảng

từ 20-25% tính theo thể tích trong điều kiện thử nghiệm tỉ số nén động cơ 8,5-10, gĩc đánh lửa sớm 20o trước ĐCT, độ đậm đặc của hỗn hợp từ 0,6 đến 1,2 (Hình 1.12) [60]

T = 300K

METHANE VÀ CARBONIC

1.5 1.7 1.9 2.1 2.3

Hình 1.11 Ảnh hưởng của gĩc đánh lửa sớm

đến cơng suất động cơ