Nghiên cứu mô hình hóa quá trình tạo khí giàu hydro trên động cơ chạy khí thiên nhiên cng để giảm phát thải cho động cơ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI CAO XUÂN SANG NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH HĨA Q TRÌNH TẠO KHÍ GIÀU HYDRO TRÊN ĐỘNG CƠ CHẠY KHÍ THIÊN NHIÊN NÉN CNG ĐỂ GIẢM PHÁT THẢI CHO ĐỘNG CƠ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hà Nội - 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI CAO XN SANG NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH HĨA Q TRÌNH TẠO KHÍ GIÀU HYDRO TRÊN ĐỘNG CƠ CHẠY KHÍ THIÊN NHIÊN NÉN CNG ĐỂ GIẢM PHÁT THẢI CHO ĐỘNG CƠ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC M,./kjluj,bn b NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS HỒNG ĐÌNH LONG Hà Nội - 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu riêng Các số liệu kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác! Hà Nội, ngày 25 tháng 09 năm 2014 Tác giả Cao Xuân Sang MỤC LỤC MỞ ĐẦU 10 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU HYDRO 13 1.1 Đặc điểm phát thải động đốt công nghệ giảm phát thải 13 1.1.1 Đặc điểm phát thải động đốt 13 1.1.2 Các biện pháp giảm phát thải độc hại cho động đốt 16 1.2 Nhiên liệu hydro phương pháp sản xuất hydro 21 1.2.1 Đặc điểm nhiên liệu hydro 21 1.2.2 Các phương pháp sản xuất hydro 26 1.3 Phương pháp cung cấp đặc tính động sử dụng nhiên liệu hydro 30 1.3.1 Hydro cung cấp từ nguồn tích trữ bên ngồi động 30 1.3.2 Hydro tạo cung cấp động 42 1.4 Kết luận chương 43 CHƯƠNG II: MƠ HÌNH HỐ Q TRÌNH TẠO RA HYDRO TRÊN ĐỘNG CƠ CNG NHỜ TẬN DỤNG NHIỆT KHÍ THẢI 44 2.1 Giới thiệu chung 44 2.2 Nhiệt khí thải khả tận dụng 44 2.3 Phương pháp biến đổi nhiệt hóa CNG với nước tận dụng nhiệt khí thải 45 2.3.1 Các phương trình phản ứng 45 2.3.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tạo cung cấp H2 động CNG 45 2.4 Các mô hình tính tốn biểu diễn q trình BĐNH CNG với nước 47 2.4.1 Giới thiệu chung 47 2.4.2 Các phản ứng xúc tác biến đổi nhiệt hóa CNG với nước 47 2.4.3 Tốc độ phản ứng 49 2.4.4 Mơ hình trao đổi nhiệt trao đổi chất xúc tác 51 2.4.5 Các điều kiện đầu điều kiện biên 56 2.5 Kết luận chương 57 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ TÍNH TỐN TRÊN ĐỘNG CƠ CNG VIOS 1.5 58 3.1 Chọn sơ kích thước xúc tác 58 3.2 Năng suất tạo hydro nhân tố ảnh hưởng 60 3.2.1 Ảnh hưởng tỷ lệ nước/CNG nhiệt độ khí thải 60 3.2.2 Ảnh hưởng kích thước BXT đến hàm lượng khí sản phẩm 64 3.2.3 Ảnh hưởng tốc độ khơng gian đến hàm lượng khí sản phẩm 66 3.3 Xác định xác kích thước xúc tác 66 3.4 Kết luận chương 67 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CO Khí mơ-nơ-xít-các-bon CO2 Khí các-bo-níc CH4 Khí mê-tan HC Hydro-các-bon chưa cháy NOX Các loại ơ-xít ni-tơ H2 Khí hydro N2 Khí Ni-tơ O2 Khí ơ-xy CNG Nhiên liệu khí thiên nhiên nén (Compressed Natural Gas) LNG Khí thiên nhiên hố lỏng (Liquefied Natural Gas) LPG Khí dầu mỏ hoá lỏng (Liquefied Petroleum Gas) EGR Luân hồi khí thải (Exhaust Gas Recirculation) αz Góc đánh lửa sớm IMEP Áp suất thị trung bình có ích (Indicated Mean Effective Pressure) BTE Hiệu suất nhiệt có ích (Brake temperature Effective) BSFC Suất tiêu hao nhiên liệu có ích (Brake Specific Fuel Consumption) ppm Một phần triệu (parts per million) λ Hệ số dư lượng khơng khí SFC Suất tiêu hao nhiên liệu (Specific Fuel Consumption) ESA Hệ thống đánh lửa điều khiển máy tính BMEP áp suất có ích trung bình (Brake Mean Effective Pressure) EW Điện phân nước SR Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu các-bua-hydro với nước PO Ơ xy-hóa khơng hồn tồn nhiên liệu các- bua- hydro CR Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu các- bua- hydro với CO2 ATR Kết hợp ô xy hóa khơng hồn tồn phản ứng nhiệt hóa nhiên liệu các-bua-hy-đro với nước BXT Bộ xúc tác ĐCT Điểm chết rpm Vòng/phút (Revolutions per minute) BCN Chỉ số đo độ khói(Bosch Smoke Number) BĐNH Biến đổi nhiệt hóa DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Tính chất vật lý hydro, mê-tan, xăng 22 Bảng 1.2 Tính chất cháy của hydro, mê-tan, xăng 22 Bảng 1.3 Ưu nhược điểm phương pháp sản xuất hydro 29 Bảng 2.1 Dữ liệu động học phản ứng 50 Bảng 2.2 Hằng số cân phản ứng 50 Bảng 2.3 Hằng số hấp thụ thành phần khí 50 Bảng 2.4 Đặc điểm chất xúc tác dùng mô hình hóa 54 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Các nguồn phát thải động đốt 13 Hình 1.2 Ảnh hưởng hệ số dư lượng khơng khí λ góc đánh lửa sớm đến suất tiêu hao nhiên liệu SFC .14 Hình 1.3 Ảnh hưởng EGR đến phát thải động .17 Hình 1.4 Phát thải động có trang bị BXT .18 Hình 1.5 Giới hạn cháy hydro số loại nhiên liệu 23 Hình 1.6 Nhiệt độ tự cháy hydro số loại nhiên liệu .23 Hình 1.7 Tốc độ lan tràn màng lửa số hỗn hợp khơng khí-nhiên liệu .24 Hình 1.8 Năng lượng đánh lửa hydro số loại nhiên liệu .25 Hình 1.9 Các phương pháp sản xuất nhiên liệu hydro .26 Hình 1.10 Các phương án cung cấp hydro cho ĐCĐT [8] .31 Hình 1.11 BTE động hydro động nhiên liệu hóa thạch đốt cháy cưỡng 32 Hình 1.12 Mơ men động hydro động nhiên liệu hóa thạch đốt cháy cưỡng 32 Hình 1.13 Cơng suất động hydro động nhiên liệu hóa thạch đốt cháy cưỡng 33 Hình 1.14 BSFC động hydro động nhiên liệu hóa thạch đốt cháy cưỡng 33 Hình 1.15 IMEP động hydro thay đổi phương pháp phun nhiên liệu 34 Hình 1.16 Mơ-men cơng suất động hydro sử dụng CHK vịi phun 35 Hình 1.17 Kết cấu cụm ống hút động hydro .36 Hình 1.18 BMEP động nhiên liệu hóa thạch-hydro thay đổi tỷ lệ hydro bổ sung 36 Hình 1.19 BTE động lưỡng nhiên liệu hóa thạch-hydro thay đổi tỷ lệ hydro bổ sung 37 Hình 1.20 Mơ-men động nhiên liệu hóa thạch-hydro thay đổi tỷ lệ hydro bổ sung 37 Hình 1.21 SFC động nhiên liệu hóa thạch-hydro thay đổi lượng hydro bổ sung 38 Hình 1.22 Phát thải động nhiên liệu hóa thạch-hydro thay đổi tỷ lệ hydro bổ sung 39 Hình 1.23 BMEP động diesel-hydro thay đổi lượng hydro cấp .40 Hình 1.24 BTE phát thải động diesel động diesel-hydro .40 Hình 1.25 Mơ-men động diesel động diesel-hydro 41 Hình 1.26 SFC động diesel động diesel-hydro 41 Hình 2.1 Các thành phần cân nhiệt ĐCĐT .44 Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống BĐNH nhiên liệu với nước 46 Hình 2.3 Mơ hình truyền nhiệt sấy nóng ống BXT 51 Hình 2.4 Mặt cắt ngang ống BXT .52 Hình 3.1 Sơ đồ xúc tác 59 Hình 3.2 Ảnh hưởng tỷ lệ nước/CNG đến nhiệt độ hạt xúc tác (nhiệt độ khí thải 627oC tốc độ trung gian 18000/h) 61 Hình 3.3 Ảnh hưởng tỷ lệ nước/CNG đến khí sản phẩm (nhiệt độ khí thải 627oC tốc độ không gian 18000/h) .62 Hình 3.4 Ảnh hưởng tỷ lệ nước/CNG nhiệt độ khí thải đến hiệu biến đổi CNG (tốc độ không gian 18000/h) 63 Hình 3.5 Ảnh hưởng tỷ lệ nước/CNG nhiệt độ khí thải đến hàm lượng H2 (tốc độ không gian 18000/h) .63 Hình 3.6 Ảnh hưởng tỷ lệ nước/CNG nhiệt độ khí thải đến lưu lượng H2 tạo thành (tốc độ không gian 18000/h) 64 Hình 3.7 Ảnh hưởng chiều dài BXT đến tỷ lệ CH4 biến đổi hàm lượng thành phần khí sản phẩm điều kiện tiết diện ngang BXT lưu lượng hốn hợp nước CNG không đổi 65 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ TÍNH TỐN TRÊN ĐỘNG CƠ CNG VIOS 1.5 3.1 Chọn sơ kích thước xúc tác Việc tính tốn mơ q trình tạo hydro phương pháp BĐNH nhiên liệu với nước tận dụng nhiệt khí thải động xe Toyota Vios 1,5 lít thực chế độ chạy tồn tải với tốc độ 3000 v/p (đây tốc độ lớn dải tốc độ làm việc thường xuyên động xe) Khi động làm việc với nhiên liệu CNG chế độ với hệ số dư lượng khơng khí λ=1 lưu lượng CNG cấp vào động xác định sau: Lưu lượng khí nạp (Khơng khí + CNG) = 1,5 lít × 1500 × 0,85 = 1912,5 l/p; (trong đó, thể tích cơng tác động =1,5 lít, số chu trình phút = 1500, hệ số nạp động = 0,85) Vì lượng khơng khí lý thuyết để đốt cháy hoàn toàn mol CNG 9,52 mol, tức CNG chiếm 9,5% thể tích hỗn hợp khơng khí-CNG nạp vào động nên với λ=1 lưu lượng CNG cấp vào động 182 l/p Nếu trích 10% nhiên liệu CNG để cấp cho BXT lưu lượng nhiên liệu CNG vào BXT 18,2 l/p (≈0,8 mol/p) Nếu chọn tỷ lệ mol nước/CNG tổng lưu lượng hỗn hợp nước CNG cấp vào BXT điều kiện nhiệt độ khí nạp (350K) động vào khoảng 55 l/p, tức khoảng 3300 l/g Ở nhiệt độ BXT khoảng 800K (527oC) lưu lượng vào khoảng 7550 l/g Theo nhà nghiên cứu, hiệu BĐNH đạt cao tốc độ khơng gian (tỷ số lưu lượng thể tích hỗn hợp khí nạp qua BXT thể tích BXT) khơng q 20000/h Tốc độ khơng gian khí nạp vào BXT phản ánh thời gian lưu lại khí BXT, thời gian lưu lại khí tỷ lệ nghịch với tốc độ không gian Tốc độ khơng gian nhỏ thời gian khí lưu lại BXT dài hiệu biến đổi nhiên liệu thành khí giàu hydro cang lớn Theo phân tích trên, với lưu lượng thể tích khí qua BXT 7550l/h nên chọn kích thước BXT để thể tích khơng gian chứa chất xúc tác vào khoảng 0,4 lít Sơ đồ bố trí ống chứa chất xúc tác BXT chọn sơ 58 hình 3.1 gồm ống chứa chất xúc tác Nickel Mỗi ống có đường kính 30mm, chiều dài 120mm, phần ống 100mm chứa hạt xúc tác nickel phần ống 20mm chứa hạt alumina Tổng thể tích ống chứa hạt xúc tác 0,42 lít Như vậy, tốc độ khơng gian hỗn hợp khí qua BXT 7550:0,42 ≈ 18.000/h, thỏa mãn yêu cầu đặt để trình BĐNH nhiên liệu CNG đạt hiệu cao H2O CNG Hạt Al2O3 Khí thải đc A A Hạt xúc tác Nickel Khí giàu H2 Mặt cắt A-A ống chứa hạt xúc tác Nickel Hình 3.1 Sơ đồ xúc tác Tồn khí thải động dẫn qua bên ống xúc tác theo phương cắt ngang ống để làm tăng hiệu trao đổi nhiệt Các ống xúc tác bố trí sơ đồ hình 3.1 theo cách hàng trước tiếp xúc với khí thải nóng bố trí ống, hàng thứ tiếp xúc với khí thải nguội bố trí ống hàng cuối có ống Cách bố trí đảm bảo ống sấy nóng tương đối Lưu lượng khí thải tồn tải tốc độ 3000v/p tính gần sau: 59 V = ηvρVhn.30 ≈ 0,85×1×1,5×10-3×3000×30 ≈ 115 kg/h Trong cơng thức trên, ηv hệ số nạp động (chọn 0,85); ρ tỷ trọng hỗn hợp khí nạp gồm khơng khí, CNG khí giàu H2 (được tính gần la 1kg/m3); Vh thể tích cơng tác động Vios 1.5 (1,5 lít); n tốc độ động chế độ tính tốn (3000v/p) Nhiệt độ khí thải chọn sơ theo số liệu kinh nghiệm 700K-900K tương ứng 427oC đến 627oC Đặc điểm, thành phần tính chất chất xúc tác cho bảng 2.4 Các mơ hình toán với điều kiện đầu điều kiện biên thiết lập mô tả chương số hóa sử dụng phương pháp Rangkuta sai phân hữu hạn lập trình giải ngơn ngữ Fortran với thông số đầu vào ứng với chế độ làm việc khác động BXT Q trình tính tốn mối chế độ khởi động hệ thống đến đạt trạng thái làm việc ổn định (thể qua nhiệt độ thành phần sản phẩm khí giàu hydro thu được) Kết tính tốn q trình xúc tác biến đổi nhiệt hóa CNG với nước nhờ tận dụng nhiệt khí thải trình bày 3.2 Năng suất tạo hydro nhân tố ảnh hưởng 3.2.1 Ảnh hưởng tỷ lệ nước/CNG nhiệt độ khí thải Nhiệt độ khí thải động phụ thuộc vào chế độ tải tốc độ động cơ, tức phụ thuộc vào công suất động Động hoạt động chế độ công suất lớn nhiệt độ khí thải cao Nhiệt độ khí thải ảnh hưởng trực tiếp đến cơng suất đốt nóng BXT, tức ảnh hưởng đến nhiệt cấp cho q trình hóa nước cấp vào phản ứng biến đổi nhiệt hóa CNG với nước ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng suất tạo hydro Tỷ lệ nước/CNG tỷ lệ hai chất tham gia phản ứng nên chắn ảnh hưởng đến tốc độ suất tạo hydro Việc nghiên cứu ảnh hưởng thơng số đến q trình phản ứng biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu thực lưu lượng không đổi hốn hợp chất tham gia phản hay nói cách khác tốc độ khơng gian khơng đổi 18.000/h 60 Hình 3.2 ảnh hưởng tỷ lệ nước/CNG đến nhiệt độ hạt xúc tác dọc theo chiều dài BXT theo hướng dịng khí điều kiện nhiệt độ khí thải 627oC tốc ứng, độ trung gian 18000/h Trong trình làm việc, BXT đốt nóng khí thải động đến gần nhiệt độ khí thải Hỗn hợp nước CNG sấy nóng hạt Al2O3 đến khoảng 275oC trước vào tiếp xúc với chất xúc tác nóng Dọc theo BXT Trên đồ thị cho thấy phần phía trước BXT có nhiệt độ thấp sau tăng dần đạt cực đại lại giảm dần đến cuối BXT Lý phần đầu BXT bị làm nguội nhiều truyền nhiệt cho hỗn hợp khí nạp có nhiệt độ thấp Sự nhiệt chất xúc tác giảm dần hỗn hợp khí nóng lên, dọc theo chiều dài BXT theo chiều dịng khí, nhiệt độ chất xúc tác tăng dần phản ứng biến đổi nhiệt hóa CNG với nước tăng dần, nhiệt bị hấp thụ tăng dần nên nhiệt độ chất xúc tác sau giảm dần cuối BXT Nhiệt độ bên BXT (o C) 700 600 500 Nước/CNG=1 Nước/CNG=1,5 Nước/CNG=2 Nước/CNG=2,5 Nước/CNG=3 Nước/CNG=4 400 300 200 0.2 0.4 0.6 0.8 Chiều dài tương đối BXT (x / L) Hình 3.2 Ảnh hưởng tỷ lệ nước/CNG đến nhiệt độ hạt xúc tác (nhiệt độ khí thải 627oC tốc độ trung gian 18000/h) Nhiệt độ BXT ảnh hưởng lớn đến hiệu biến đổi CNG hàm lượng khí sản phẩm Đồ thị hình 3.3 thay đổi hàm lượng thành phần khí quan trọng sản phẩm gồm H2, H2O, CO, CH4 H2 khô (thành phần H2 khí sản phẩm ngưng tụ hết nước) thay đổi tỷ lệ nước/CNG điều kiện nhiệt độ khí thải 627oC tốc độ khơng gian 18000/h Có thể thấy, tăng tỷ 61 lệ nước/CNG hàm lượng nước sản phẩm tăng mạnh, tức thừa nước Do đó, hàm lượng CO H2 giảm (vì khí sản phẩm có nhiều nước) Hàm lượng CH4 giảm mạnh, mặt tỷ lệ CNG biến đổi tăng, mặt khác nước nhiều Đồ thị cho thấy, tách nước khỏi sản phẩm thấy hàm lượng H2 (khi gọi hàm lượng H2 khô) tăng Điều chứng tỏ Hàm lượng khí sản phẩm (%) tăng tỷ lệ nước/CNG điều kiện này, hiệu biến đổi CNG tăng 80 H2 khô H2 H2O CH4 CO 60 40 20 0 Nước/CNG (mol/mol) Hình 3.3 Ảnh hưởng tỷ lệ nước/CNG đến khí sản phẩm (nhiệt độ khí thải 627oC tốc độ khơng gian 18000/h) Đồ thị hình 3.4 ảnh hưởng tỷ lệ nước/CNG nhiệt độ khí thải đến hiệu biến đổi CNG (ở tốc độ không gian 18000/h) Đồ thị cho thấy, điều kiện nhiệt độ khí thải 527oC hiệu biến đổi CNG (hay CH4) đạt lớn tỷ lệ nước/CNG=2 tăng tỷ lệ nước/CNG lên làm nhiệt tiêu tốn cho việc hóa nước tăng làm thiếu nhiệt cấp cho phản ứng nhiệt hóa nên tỷ lệ CH4 biến đổi giảm Tuy nhiên điều kiện nhiệt độ khí thải 627oC tăng tỷ lệ nước/CNG hiệu biến đổi CH4 (tỷ lệ CH4 biến đổi/CH4 cấp vào) tăng Do nói nhiệt độ BXT cao tỷ lệ biến đổi CNG cao, tăng tỷ lệ nước/CNG giúp cải thiện điều kiện phản ứng để thu nhiều H2 62 Tỷ lệ CNG biến đổi (%) 100 90 Tkt=727 C Tkt=627 C Tkt=527 C 80 70 Nước/CNG (mol/mol) Hình 3.4 Ảnh hưởng tỷ lệ nước/CNG nhiệt độ khí thải đến hiệu biến đổi CNG (tốc độ không gian 18000/h) Tỷ lệ hay hiệu biến đổi CNG tăng làm tăng hàm lượng lưu lượng H2 tạo Đồ thị hình 3.5 thay đổi hàm lượng thành phần hydro theo tỷ lệ nước/CNG Ở nhiệt độ cao hàm lượng H2 khí sản phẩm tăng Tuy nhiên, tăng tỷ lệ nước/CNG hàm lượng H2 giảm khí sản phẩm chứa nhiều nước 80 Hàm lượng H2 (%) Tkt=727 C Tkt=627 C 60 Tkt=527 C Tkt=427 C 40 20 0 Nước/CNG (mol/mol) Hình 3.5 Ảnh hưởng tỷ lệ nước/CNG nhiệt độ khí thải đến hàm lượng H2 (tốc độ khơng gian 18000/h) Hình 3.6 ảnh hưởng tỷ lệ nước/CNG nhiệt độ khí thải đến lượng H2 tạo thành đơn vị (mol) CNG cấp vào (ở tốc độ không gian 18000/h) Đồ thị cho thấy, tỷ lệ nước/CNG khoảng 2-3 cho lưu lượng H2 tạo thành 63 lớn Cụ thể nhiệt độ khí thải 427oC, suất tạo H2 thấp, nhiệt độ tỷ lệ nước/CNG=1,5 hợp lý Ở 527oC tỷ lệ nước/CNG=2 hợp lý, cịn 627oC tỷ lệ nước/CNG=2,5, 727oC tỷ lệ nước/CNG hợp lý H2 / CNG cấp vào (mol/mol) Tkt=727 C Tkt=627 C Tkt=527 C Tkt=427 C 0 Nước/CNG (mol/mol) Hình 3.6 Ảnh hưởng tỷ lệ nước/CNG nhiệt độ khí thải đến lưu lượng H2 tạo thành (tốc độ khơng gian 18000/h) Nói tóm lại, nhiệt độ khí thải sấy BXT cao có điều kiện để tăng tỷ lệ nước/CNG để tăng suất tạo H2 Nhiệt độ khí thải động thường dao động xung quanh 600oC nên nhiệt độ nên chọn tỷ lệ nước/CNG 2-2,5 để đạt suất H2 cao, dao động khoảng 2,2-3,8 mol H2 cho mol CNG cấp vào 3.2.2 Ảnh hưởng kích thước BXT đến hàm lượng khí sản phẩm Hình 3.7 ảnh hưởng chiều dài BXT đến tỷ lệ CH4 biến đổi hàm lượng số thành phần quan trọng khí sản phẩm điều kiện tiết diện ngang BXT lưu lượng hốn hợp nước CNG khơng đổi Có thể thấy, tăng chiều dài thể tích BXT tăng thời gian phản ứng tăng, hiệu BXT tăng Tuy nhiên, chiều dài tăng đến mức định thành phần khí khơng thay đổi nhiều tình trạng nhiệt BXT khơng cải thiện thêm Căn cứu vào kết nghiên cứu này, xác định sơ chiều dài 64 hợp lý BXT Chiều dài hợp lý BXT chiều dài ngắn thông số làm việc BXT theo chiều dài đạt ổn định điều kiện mặt cắt ngang BXT chọn lưu lượng hỗn hợp khí nạp khơng đổi 70 Hàm lượng khí (%) 60 50 40 H2 khơ 30 H2 CO 20 CH4 10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Chiều dài tương đối BXT (x/L) Hình 3.7 Ảnh hưởng chiều dài BXT đến tỷ lệ CH4 biến đổi hàm lượng thành phần khí sản phẩm điều kiện tiết diện ngang BXT lưu lượng hốn hợp nước CNG không đổi Ảnh hưởng đường kính BXT lưu lượng khơng gian đến hàm lượng H2 khô điều kiện tỷ lệ nước/CNG=2,5 đồ thị hình 3.8 Đồ thị cho thấy tăng đường lính BXT hàm lượng sản phẩm H2 giảm mạnh Lý việc đốt nóng BXT trở nên khó khăn ống xúc tác có đường kính lớn Khi nhiệt độ bên lõi BXT thấp bên gần thành ống nhiều, làm hiệu biến đổi CNG giảm Hàm lượng H2 khô (%) 80 SV=20.000/h SV=40.000/h 60 SV=60.000/h 40 20 10 15 20 25 30 35 Đường kính BXT (mm) 40 45 Hình 3.8 Ảnh hưởng đường kính BXT lưu lượng khơng gian đến hàm lượng H2 khô điều kiện tỷ lệ nước/CNG=2,5 65 Nói tóm lại, với thể tích BXT xác định (tốc độ khơng gian khơng đổi) giảm đường kính tăng chiều dài ống xúc tác gúp cải thiện trạng thái nhiệt (tăng nhiệt độ) BXT, nhờ tăng hiệu BXT, tức tăng lưu lượng hydro tạo Tuy nhiên, giảm đường kính nhiều q làm tăng cản BXT, làm giảm lưu lượng khí nạp kết giảm lưu lượng H2 sản xuất 3.2.3 Ảnh hưởng tốc độ khơng gian đến hàm lượng khí sản phẩm H2/CNG cấp vào (mol/mol) 4.5 3.5 2.5 Tkt=727 C Tkt=627 C Tkt=527 C Tkt=427 C 1.5 0.5 0 20 40 60 80 Tốc độ khơng gian (1000/h) Hình 3.9 Ảnh hưởng tốc độ khơng gian nhiệt độ khí thải đến lưu lượng H2 điều kiện tỷ lệ nước/CNG=2,5 Ảnh hưởng tốc độ khơng gian nhiệt độ khí thải đến lưu lượng H2 điều kiện tỷ lệ nước/CNG=2,5 đồ thị hình 3.9 Việc tăng tốc độ không gian đồng nghĩa với giảm thời gian khí lưu BXT, tức giảm thời gian phản ứng xúc tác nên làm giảm lượng H2 sản xuất Đồ thị cho thấy, tốc độ không gian lớn 20000/h lưu lượng H2 ứng với đơn vị CNG cấp vào giảm mạnh tỷ lệ CH4 biến đổi giảm 3.3 Xác định xác kích thước xúc tác Theo kết tính tốn hàm lượng lưu lượng H2 tạo thành phân tích yếu tố ảnh hưởng xác định sơ kích thước BXT đảm bảo yêu cầu biến đổi nhiệt hóa đến 10% lượng CNG cấp vào động Kích thước xác định 66 sơ làm thơng số đầu vào tính tốn mơ Cụ thể BXT có ống chữa chất xúc tác, đường kính ống 30mm, dài 120mm phần ống 20mm chứa hạt Al2O3 phần ống 100mm chứa hạt xúc tác nickel Các ống bố trí sơ đồ hình 3.1 3.4 Kết luận chương Mơ hình 2D mơ trình BĐNH nhiên liệu CNG với nước tạo hydro BXT lắp cho động xe Vios dung tích 1,5 lít xác định được: - Các thành phần khí BXT, thành phần khí sản phẩm yếu tố ảnh hưởng tới thành phần sản phẩm chế độ làm việc khác nhau; - Điều kiện tối ưu chuyển đổi nhiên liệu CNG thành khí giàu hydro BXT Ở nhiệt độ khí thải lân cận 6000C thơng số hợp lý khí cấp vào tỷ lệ mol nước/CNG khoảng 2,5:1 tốc độ không gian nhỏ 20000/h Trong điều kiện trên, mol CNG tạo 2,2-3,8 mol hydro, suất tạo hydro 105-182 mol hydro/h; - Bộ xúc tác chuyển đổi tới 10% lượng nhiên liệu tiêu thụ; - Kích thước sơ chọn xúc tác phù hợp với động cho 67 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP Để tận dụng ưu điểm nhiên liệu hydro cháy nhanh, trị số ốc tan cao, giới hạn cháy rộng, khí thải đồng thời khắc phục nhược điểm nhiệt trị mol hydro thấp làm cho việc tích trữ nhiên liệu khó khăn, đề tài nghiên cứu phương pháp tạo cung cấp hydro xe chạy nhiên liệu CNG để tạo nhiên liệu giàu hydro cho động để giảm thành phần khí thải độc hại Đề tài nghiên cứu giải vấn đề sau: - Đã nghiên cứu tổng quan lợi ích nhiên liệu hydro phương pháp tạo nhiên liệu hydro đưa phương án thiết kế bố trí cung hệ thống cung cấp khí giàu hydro sử dụng xúc tác BĐNH nhiên liệu CNG với nước tận dụng nhiệt khí thải - Đã xây dựng phát triển thành cơng mơ hình 2D biểu diễn q trình biến đổi nhiệt hóa CNG với nước tạo khí giàu hydro nhờ tận dụng nhiệt khí thải động CNG - Đã áp dụng tính tốn thành cơng q trình tạo khí giàu hydro theo mơ hình 2D động CNG chuyển đổi từ động xe Vios 1.5 xác định thông số làm việc tối ưu sau: + Ở nhiệt độ khí thải lân cận 6000C trở lên tỷ lệ mol nước/CNG tối ưu 2,5:1 tốc độ không gian nhỏ 20000/h Trong điều kiện trên, mol CNG tạo 2,2-3.8 mol hydro, suất tạo hydro 105-182 mol hydro/h; + Bộ xúc tác chuyển đổi tới 10% lượng nhiên liệu tiêu thụ động cơ; + BXT gồm ống, tổng thể tích 0,42 lít, ống có đường kính 30mm, chiều dài 120mm, phần ống 100mm chứa hạt xúc tác nickel phần ống 20mm chứa hạt alumina Để hoàn thiện hệ thống tạo cung cấp hydro phương pháp nhiệt hoá phần nhiên liệu CNG với nước động CNG nhờ tận dụng nhiệt khí thải cần phải nghiên cứu tiếp vấn đề sau: 68 - Nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá xác q trình tạo hydro cung cấp cho động - Cải tiến van định lượng cho lượng hydro tạo phù hợp với lượng nhiên liệu cung cấp chu trình - Có thể thay loại chất xúc tác lò phản ứng làm việc chất lượng 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Heywood, J B (1997) Motovehicle Emissions Control: Past Achievements, Future Prospects IMechE-The Institution of Engineering, Singapore [2] B.P.Pundir Mechanical Engineering, Department of Mechanical Engineering, IIT Kanpur [3] Pham Minh Tuan (2006) Khí thải động ô nhiễm môi trường, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [4] Robert Bosch, Emission Control, Technical instruction, Postfach 30 02 20,D70442 Stuttgart [5] Pham Minh Tuan (2007) Asessment of impacts of gasohol E5 and E10 on performance and exhaust emissions of in-usedmotorcycle and car in VietNam, Hanoi University of Technology, 15th Asia Pacific Automotive Engineering Conference [6] Nguyễn Lê Ninh (2010), Bài giảng Ơtơ mơi trường [7] Phạm Ngọc Anh (2008), Nghiên cứu tận dụng nhiệt khí thải tạo nhiên liệu giàu hydro làm giảm độc hại cho động Diesel, Luận văn thạc sỹ, [8] Erol Kahraman (2012), Analysis of a hydrogen fueled internal combustion engine, International Journal of Hydrogen Energy, [9] International energy agency (2010), Hydrogen production and storage 9, rue de la Fédération, Paris Cedex 15 [10] Ann M De Goote, G F Froment (1996), Partial oxidation of methane over nickel catalyst Appl Catal A , v.138, p 245-264 [11] Heywood, J B (1988), Internal Combustion Engine Fundamentals McGraw Hill, New York [12] U.S DOE (2001), Hydrogen Fuel Cell Engines and Related Technologies, Module Hydrogen used internal cobustion engines [13] Niculae Negurescu (2011), Performance comparison between hydrogen and gasoline fuelled spark ignition engine,Thermal science, , Vol 15, No 4, pp 1155-1164 70 [14] A J Chapman (1984), Heat Transfer Macmillan Publishing Co., New York [15] Changwei Ji, Shuofeng Wang Effect of hydrogen addition on combustion and emissions performance of a spark ignition gasoline engine at lean conditions College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China [16] M.Sc Karagoz Y (2012), Effect of hydrogen and oxygen gas mixture addtion emissions and performance of an SI engine International journal of hydrogen energy vol.2, [17] F Yuăksel, M.A Ceviz (2003), Thermal balance of a four stroke SI engine operating onhydrogen as a supplementary fuel, Energy 28, p1069–1080 [18] W.B Santoso, A Nur, S Ariyono1 (2010), Combustion characteristics of a diesel-hydrogen dual fuel engine, National Conference in Mechanical Engineering Research and Postgraduate Studies (2nd NCMER) [19] Saravana (2007), Expreriment dvantages of the direct injection of both diesel and hydrogen in dual fuel hydrogen, Anna University, SAE international [20] Ali Can Yilmaz(2010), Effect of hydroxy (HHO) gas addition on performance and exhaust emissions in compression ignition engines, International Journal of Hydrogen Energy, p1-7 [21] Nguyen The Lương, Hoang Dinh Long (2009), Nghiên cứu biến đổi nhiệt hố nhiên liệu với khí thải tạo nhiên liệu giàu hydro để giảm phát thải động xăng Tạp chí GTVT [22] Steven W.J Sylvestre (2007), A numerical study of an autothermal reformer for the production of hydrogen from iso-octane, Queen’s University, Kingston, Ontario, Canada [23] S A Zhdanok, G M Vasil’ev,V A Vasetskii, and A V Khavets, Used of plasma reforming of fuel for reduction of the toxicity of diesel engine, Journal of Engineering Physics and Thermophysics, Vol 78, No 1, 2005 [24] Hoang Dinh Long (2012), Numerical study of on-board gasoline steam reforming to produce hydrogen-rich gas for IC engine application, The 5th AUN/SEED-Net Regional Conference on New/Renewable Energy [25] Hoang D.L., S.H Chan, O.L Ding (2005), Kinetic and modelling study of 71 methane steam reforming over sulfide nickel catalyst on a gamma alumina support, Chemical Engineering Journal v.112, p1–11 [26] Wakao N., S Kaguei and T Funazkri (1979), Chemical Engineering Science 34 325-336 [27] E L Cussler(1984), Diffusion, Mass Transfer in Fluid Systems Cambridge, New York Cambridge University Press 72 ... ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI CAO XUÂN SANG NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH HĨA Q TRÌNH TẠO KHÍ GIÀU HYDRO TRÊN ĐỘNG CƠ CHẠY KHÍ THIÊN NHIÊN NÉN CNG ĐỂ GIẢM PHÁT THẢI CHO ĐỘNG... tài ? ?Nghiên cứu mơ hình hố q trình tạo khí giàu hydro động chạy khí thiên nhiên nén CNG để giảm phát thải cho động cơ? ?? mà tác giả chọn để góp phần thực mục tiêu Mục đích nghiên cứu luận văn, đối... cao * Đối tượng nghiên cứu: - Nghiên cứu thực động Toyota Vios chạy nhiên liệu khí thiên nhiên nén CNG chuyển đổi từ động xăng; - Nhiên liệu để tạo hydro CNG thương mại dùng cho động chứa chai