Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu huỳnh trong nhiên liệu và tải động cơ tới sự phát thải hạt của động cơ diesel tàu thuỷ

Bài viết Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu huỳnh trong nhiên liệu và tải động cơ tới sự phát thải hạt của động cơ diesel tàu thuỷ làm rõ sự phát thải hạt ở những chế độ làm việc khác nhau với nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh khác nhau. Kết quả cho thấy, sự phát thải hạt phụ thuộc vào hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu, và chế độ tải của động cơ.

TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LƯU HUỲNH TRONG NHIÊN LIỆU VÀ TẢI ĐỘNG CƠ TỚI SỰ PHÁT THẢI HẠT CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THUỶ RESEARCHING EFFECTS OF SULFUR IN FUEL AND ENGINE LOAD ON PARTICLE EMISSION OF MARINE DIESEL ENGINE LƯU QUANG HIỆU1*, TÔ TRỌNG HIỂN1, TRẦN THẾ NAM2 Khoa Máy tàu biển, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Phịng Khoa học - Cơng nghệ, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam *Email liên hệ: luuquanghieu@vimaru.edu.vn Tóm tắt Sự phát thải hạt từ động diesel tàu thuỷ ảnh hưởng tiêu cực tới môi trường sức khoẻ người đặc biệt khu vực cảng Để hiểu rõ phát thải từ động diesel tàu thuỷ, mẫu hạt khí xả động diesel tàu biển thu thập chế độ tải nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh khác phin lọc quartz fiber filters hệ thống lấy mẫu pha loãng phần, sau phân tích để đánh giá ảnh hưởng nhiên liệu chế độ tải tới phát thải hạt động Kết cho thấy, phát thải hạt phụ thuộc vào hàm lượng lưu huỳnh nhiên liệu, chế độ tải động Khi hàm lượng lưu huỳnh nhiên liệu giảm từ 1.01% 0,5% lượng phát thải hạt bình giảm từ 0,94 0,61 g/kW.h Khi động khai thác chế độ tải thấp 15%, lượng phát thải hạt cao gấp gần lần chế độ tải cao Ở chế độ tải 50 - 60% tải, lượng phát thải hạt thấp khoảng 0,51g/kW.h cho nhiên liệu 0,5% lưu huỳnh 0,77g.kW/h cho nhiên liệu 1,01% lưu huỳnh Từ khóa: Phát thải dạng hạt, động diesel, ô nhiễm dạng hạt, tải trọng động cơ, hàm lượng lưu huỳnh nhiên liệu Abstract Particulate emissions from marine diesel engines negatively affect the environment and human health, especially in the port area To more deeply understand the particle emission from marine diesel engines, particulate samples in the exhaust gases of marine diesel engines were collected at different fuels having different sulfur content and load modes by quartz fiber filters and a partial dilution sampling system And then these samples were analyzed to evaluate the effects of fuel and load conditions on the engine's particulate emissions The results show that the particulate SỐ 71 (8-2022) emission depends on the sulfur content in the fuel, and the engine load mode When the sulfur content in the fuel is reduced from 1.01% to 0.5% the particulate emissions are reduced from 0.94 to 0.61g/kW.h When the engine is operated at a low load (15%), the particulate emissions are higher nearly times in high load mode At 50-60% load, particulate emissions are the lowest about 0.51gkW/h for 0.5% sulfur fuel and 0.77 g/kW.h for 1.01% sulfur fuel Keywords: Particulate emissions, marine diesel engines, particulate pollution, engine load, fuel sulphur content Đặt vấn đề Vận tải biển đóng vai trị quan trọng việc vận chuyển hàng hố Theo ước tính, khối lượng hàng hố vận chuyển đường biển chiếm khoảng 85% tổng số hàng hoá chuyên chở quốc tế tất hình thức vận chuyển [1] Hầu hết tàu biển cỡ vừa lớn sử dụng nhiên liệu nặng (HFO) tính hiệu kinh tế Tuy nhiên, nhiên liệu HFO lại chứa nhiều tạp chất lưu huỳnh (S), Vanadi (V), Niken (Ni),… điều làm cho khí xả từ tàu biển trở nên nguy hại với môi trường sức khỏe người [2] Hoạt động tàu biển (bao gồm tàu cá tàu hàng) nguồn nhân tạo đóng góp đáng kể vào nhiễm khơng khí Việc phát thải NOx, SOx chất dạng hạt từ tàu biển dẫn đến việc gây nhiễm khơng khí xung quanh thành phố vùng duyên hải khắp giới Trong khu vực cảng, tàu biển nguồn phát thải lớn [4] với lượng phát thải hạt (PM) đóng góp khoảng 9-15% tổng nồng độ hạt [5] Các hạt thứ cấp có nguồn gốc từ oxit lưu huỳnh, oxit nitơ hạt sơ cấp tàu phát trực tiếp cacbon đen hạt gây ung thư khác có tác động xấu đến môi trường sức khỏe người [6] Theo số nghiên cứu, hạt PM2.5 phát thải từ tàu gây khoảng 60.000 ca tử vong sớm tim phổi ung thư phổi quy mơ tồn cầu [7] 23 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Mức độ phát thải hạt phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Tải động cơ, thành phần nhiên liệu, dầu bôi trơn, hệ số phát thải dao động phạm vi rộng từ 0,3 đến 10g/kWh [8] Tuy nhiên, kết nghiên cứu trước cho kết không quán phụ thuộc hàm lượng lưu huỳnh nhiên liệu chế độ tải động Một số nghiên cứu khơng có mối quan hệ rõ ràng phát thải PM hàm lượng lưu huỳnh nhiên liệu [9] Trong số nghiên cứu lượng phát thải PM có xu hướng tăng lượng lưu huỳnh tăng [10] Các nghiên cứu ảnh hưởng tải động lên phát thải hạt, trước chủ yếu tập trung chế độ tải động 70-85 % [11], chế độ khai thác động tàu hành trình biển Tuy nhiên, chưa có nhiều nghiên cứu phát thải hạt động chế độ tải thấp có thay đổi liên tục chế độ làm việc, chế độ thường sử dụng tàu ra, vào cảng Vì vậy, mục tiêu báo làm rõ phát thải hạt chế độ làm việc khác với nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh khác Trong trình thử nghiệm, mẫu hạt thu thập từ động diesel tàu thuỷ chế độ tải khác từ 15– 75 %, làm việc với hai loại nhiên liệu có thành phần lưu huỳnh 0.5% 1.01% Đây sở để đưa khuyến nghị phù hợp việc lựa chọn loại nhiên liệu, chế độ khai thác áp dụng biện pháp xử lý khí thải, nhằm đáp ứng yêu cầu ngày khắt khe Tổ chức Hàng hải Quốc tế IMO quyền cảng Đối tượng phương pháp nghiên cứu Các mẫu hạt thu thập từ khí xả động diesel tàu thuỷ trang bị phịng thí nghiệm Trường Đại học Hàng hải MGU, Liên bang Nga Các thơng số động thể Bảng Bảng Thông số kỹ thuật động Tên động Loại động DV136 kỳ, có tăng áp Thể tích cơng tác xylanh 16,29 lít Vịng quay chế độ tồn tải 500 vịng/phút Áp suất thị bình qn 5,33 kg/cm2 Đường kính xylanh 24cm Hành trình piston 36cm Cơng suất có ích (Ne) 24 ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 400 Hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động gồm két chứa hâm nóng riêng biệt cho phép chuyển đổi loại nhiên liệu khác trình làm việc Động kết nối với phanh thủy lực, cho phép điều chỉnh để động hoạt động tải khác từ đến 80% Để đánh giá ảnh hưởng lưu huỳnh nhiên liệu tới phát thải hạt động cơ, nghiên cứu sử dụng nhiên liệu HFO có hàm lưu huỳnh 0,5% 1,01%, tính chất hố-lý khác tương đồng Hình Hệ thống lấy mẫu khí thải Trong thí nghiệm, mẫu hạt thu thập ba chế độ thử khác cho loại nhiên liệu: Chế độ trình giảm tải từ 50% 0%, mục đích q trình nhằm nghiên cứu phát thải hạt tàu vào cảng; Chế độ thử nghiệm thứ trình tăng tải từ đến 50% tải, nhằm nghiên cứu phát thải hạt tàu khỏi cảng; Chế độ thử nghiệm thứ trình chạy ổn định chế độ tải khác (15%, 30%, 45%, 60%, 70%, 75%) nhằm nghiên cứu phát thải hạt động làm việc ổn định chế độ tải khác Để thu thập mẫu hạt khí xả, nhóm tác giả sử dụng phin lọc Quartz Fiber Filters hệ thống pha loãng phần FPS_4000 Hệ số pha lỗng lựa chọn 18:1 (18 lít khơng khí lọc tạp chất với lít khí xả) Trước tiến hành thí nghiệm, phin lọc sấy nóng nhiệt độ 80oC thời gian 12 để loại bỏ hoàn toàn độ ẩm phin lọc Sau sấy xong, phin lọc cân cân điện tử OHAUS PR423/E có độ xác 0,001g, việc đo khối lượng phin lọc thực ba lần đo, sau lấy giá trị trung bình Các phin lọc sau cân xong bảo quản hộp chuyên dụng cách ly hoàn toàn với môi trường để sẵn sàng lấy mẫu Ở chế độ thử nghiệm, thời gian lấy mẫu 30 phút nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh 1,01%, SỐ 71 (8-2022) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh 0,5% thời gian lấy mẫu thí nghiệm 45 phút Sau lấy mẫu xong, phin lọc cất hộp chứa chuyên dụng để đưa phịng thí nghiệm Ở phịng thí nghiệm, phin lọc sấy theo quy trình: Đầu tiên sấy nhiệt độ 120oC thời gian đồng hồ để loại bỏ hợp chất hữu phin lọc, sau 80oC 12 Sau đó, phin lọc đem cân lại để xác định khối lượng hạt rắn 0,57g/kW.h sử dụng nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh 0,5% Điều cho thấy, động diesel tàu thuỷ có xu hướng phát thải hạt cao sử dụng nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh lớn Kết thảo luận Nồng độ hạt PM khí xả động diesel tàu thuỷ 8DV136 chạy chế độ tải khác với hai loại nhiên liệu HFO có hàm lượng lưu huỳnh 0,5% 1,01% thể Bảng Hình Bảng Nồng độ phát thải hạt khí xả chế độ tải khác Phần trăm lưu huỳnh Chế độ tải thử Sự phát thải nghiệm, % PM, g/kW.h Tăng từ đến 50 % 0,92 Giảm từ 50 đến % 0,46 15 0,73 30 0,62 45 0,57 50 0,51 60 0,52 70 0,59 75 0,61 Tăng từ đến 50 % 1,42 Giảm từ 50 đến % 0,75 15 1,23 30 1,02 45 0,93 50 0,78 60 0,76 70 0,79 75 0,81 nhiên liệu, % 0,5 1,01 Kết thí nghiệm cho thấy, giảm hàm lượng lưu huỳnh nhiên liệu từ 1,01% xuống 0,5% lượng hạt khí xả giảm xuống chế độ tải khác Cụ thể, chế độ 50% tải, động sử dụng nhiên liệu HFO có hàm lượng lưu huỳnh 1,01% có hệ số phát thải 0,78g/kW.h so với SỐ 71 (8-2022) Hình Phát thải PM chế độ tải Sự phát thải hạt động tăng hàm lượng lưu huỳnh nhiên liệu tăng giải thích lưu huỳnh nhiên liệu bị oxy hóa thành SO2, phần SO3 góp phần vào tổng lượng phát thải PM dạng sunfat Tỷ lệ chuyển hóa từ lưu huỳnh nhiên liệu thành sunphat dao động khoảng lớn từ 1,2 đến 3,5%, phụ thuộc vào tải động [12] Kết thí nghiệm Bảng ra: Q trình tăng tải động từ đến 50% cho lượng phát thải hạt lớn 1,42g/kW.h nhiên liệu HFO 1,01% S 0,92g/kW.h nhiên liệu HFO 0,5% S Ngược lại, trình giảm tải từ 50 0% cho lượng phát thải hạt chế độ thử nghiệm Ở chế độ tải ổn định động cơ, kết thí nghiệm cho thấy xu hướng phát thải tương đồng hai loại nhiên liệu (Bảng 2) Khi động khai thác 15% tải, lượng phát thải hạt động lớn (1,23g/kW.h HFO 1,01% S 0,73g/kW.h HFO 0,5%) Sự phát thải hạt động có xu hướng giảm tăng tải động từ 15% đến 60%, sau phát thải hạt tăng nhiều tiếp tục tăng tải động lên 70, 75% Điều cho thấy, động có lượng phát thải hạt nhỏ chế độ tải 50-60% Xu hướng phát thải phù hợp với kết nghiên cứu khác [11, 13] Như vậy, qua kết thí nghiệm cho thấy, điều chỉnh tải động đến chế độ phù hợp giảm lượng phát thải hạt động Bên cạnh đó, giảm tải động phương pháp giảm lượng tiêu hao nhiêu nhiên liệu để tăng hiệu 25 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ khai thác tàu [14] Điều có nghĩa chọn chế độ tải mang lại lợi ích kinh tế giảm thiểu lượng phát thải hạt từ tàu biển Lượng phát thải hạt liên quan chặt chẽ đến tải động Việc giảm tải động dẫn đến tăng lượng phát thải PM chế độ tải thấp làm tăng q trình đốt cháy khơng hồn tồn nhiên liệu Việc giảm nhiệt độ khí thải tải động thấp dẫn đến việc tăng cường hình thành hạt từ nhiên liệu chưa cháy dầu bơi trơn Các hợp chất ngưng tụ hạt có làm tăng số lượng kích thước hạt [14] Các động hàng hải nói chung tối ưu hóa cho tải khoảng 75-90%, phạm vi hoạt động điển hình cho chuyến biển khơi Tại cảng, yêu cầu tải thấp để điều động cập bến Mặc dù cảng lượng phát thải từ tàu chiếm lượng từ 9-15% tổng lượng hạt môi trường, hạt phát thải từ tàu biển lại có tác động tiêu cực sức khỏe người dân khu vực lân cận cảng [12] Điều cho thấy cần phải có giải pháp xử lý khí thải phù hợp động khai thác chế độ tải khác Việc lựa chọn giải pháp phù hợp ngăn ngừa nhiễm khơng khí, đặc biệt khu vực cảng biển vùng lân cận, đồng thời tăng hiệu khai thác đội tàu Kết luận Lượng phát thải PM từ động diesel tàu thuỷ phụ thuộc chặt chẽ vào hàm lượng lưu huỳnh nhiên liệu tải động Khi hàm lượng lưu huỳnh nhiên liệu tăng làm cho lượng phát thải hạt tăng Ở chế độ thấp tải 15% lượng phát thải hạt lớn dải thử nghiệm từ 15% đến 75% Trong dải thử nghiệm này, chế độ 50%, 60% cho lượng phát thải hạt ít, gần nửa so với lượng phát thải chế độ tải 15% Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Hàng hải Việt Nam đề tài mã số: DT21-22.10 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Eyring, V., Isaksen, I.S.A., Berntsen, T., Collins, W.J., Corbett, J.J., Endresen, O., Grainger, R.G., Moldanova, J., Schlager, H., Stevenson, D.S (2010), Transport impacts on atmosphere and climate: shipping Atmos Environ Vol.44(37), pp.4735-4771 26 ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY [2] A Petzold, J Hasselbach, P Lauer, R Baumann, K Franke, C Gurk, H Schlager, and E Weingartner (2008), Experimental studies on particle emissions from cruising ship, their characteristic properties, transformation and atmospheric lifetime Atmos Chem Phys., Vol.8, pp.2387-2403 [3] European Environment Agency (2014), Specific CO2 Emissions per Tonne-km and per Mode of Transport in Europe, pp.1995-2011 EEA Web Team, openhagen (Denmark) [4] Natural Resources Defence Council (2014) Clean By Design: Transportation Natural Resources Defence Agency, New York (USA) [5] Corbett, J.J., Fischbeck, P.S., Pandis, S.N (1999), Global nitrogen and sulfur inventories for oceangoing ships J Geophys Res.: Atmos Vol.104 (D3), pp.3457-3470 [6] Endresen, Ø., Sørgård, E., Sundet, J.K., Dalsøren, S.B., Isaksen, I.S.A., Berglen, T.F., Gravir, G (2003), Emission from international sea transportation and environmental impact J Geophys Res.: Atmos 108 (D17), 4560 [7] Eyring, V., Isaksen, I.S.A., Berntsen, T., Collins, W.J., Corbett, J.J., Endresen, O., Grainger, R.G., Moldanova, J., Schlager, H., Stevenson, D.S (2010), Transport impacts on atmosphere and climate: shipping Atmos Environ Vol.44(37), pp.4735-4771 [8] Winnes H., Fridell E (2010), Emissions of NOx and particles from manoeuvring ships, Transportation Re-search, Part D N 15, pp.204211 [9] Beecken, J., Mellqvist, J., Salo, K., Ekholm, J., Jalkanen, J P., Johansson, L., Litvinenko, V., Volodin, K & Frank-kamenetsky, D A (2015), Emission factors of SO2, NOx and particles from ships in Neva Bay from ground-based and helicopter-borne measurements and AIS-based modeling Atmospheric Chemistry and Physics, Vol.15, pp.5229-5241 [10] Alföldy, B., Lööv, J B., Lagler (2013), Measurements of air pollution emission factors for marine transportation in SECA Atmospheric Measurement Techniques Vol.6, pp.1777-1791 SỐ 71 (8-2022) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY [11] Kati Lehtoranta,Paivi Aakko-Saksa, Timo Murtonen, Hannu Vesala, Leonidas Ntziachristos, Topi Rönkkö, Panu Karjalainen, Niina Kuittinen, and Hilkka Timonen (2019), Particulate Mass and Nonvolatile Particle Number Emissions from Marine Engines Using Low-Sulfur Fuels, Natural Gas, or crubbers Environ Sci Technol Vol.53, pp.3315-3322 [12] Arto Sarvi, Jussi Lyyränen, Jorma Jokiniemi, Ron Zevenhoven (2011), Particulate emissions from large-scale medium-speed diesel engines: Chemical composition Fuel Processing Technology Vol.92, pp.2116-2122 SỐ 71 (8-2022) KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ [13] Mai Thế Trọng (2021), Ảnh hưởng việc giảm tốc độ tàu tới phát thải tính kinh tế nhiên liệu tàu, Nội san khoa học Khoa Máy tàu biển [14] Maria Zetterdahl (2016), Particle Emissions from Ships, Thesis for the degree of doctor of philosophy, Department of Shipping and Marine Technology Chalmers University of Technology Gothenburg, Sweden Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 24/3/2022 31/3/2022 13/4/2022 27 ... giá ảnh hưởng lưu huỳnh nhiên liệu tới phát thải hạt động cơ, nghiên cứu sử dụng nhiên liệu HFO có hàm lưu huỳnh 0,5% 1,01%, tính chất hố-lý khác tương đồng Hình Hệ thống lấy mẫu khí thải Trong. .. diesel tàu thuỷ phụ thuộc chặt chẽ vào hàm lượng lưu huỳnh nhiên liệu tải động Khi hàm lượng lưu huỳnh nhiên liệu tăng làm cho lượng phát thải hạt tăng Ở chế độ thấp tải 15% lượng phát thải hạt lớn... nhiên liệu [9] Trong số nghiên cứu lượng phát thải PM có xu hướng tăng lượng lưu huỳnh tăng [10] Các nghiên cứu ảnh hưởng tải động lên phát thải hạt, trước chủ yếu tập trung chế độ tải động 70-85