Bài viết Ảnh hưởng hàm lượng hydrogen đến động cơ chạy bằng hỗn hợp biogas hydrogen trong hệ thống năng lượng tái tạo hybrid tổng quan trên đây cho thấy việc làm giàu biogas bằng hydrogen rõ ràng cải thiện được quá trình cháy của động cơ. Tuy nhiên, mặt trái của nó là làm tăng phát thải NOx, gây ô nhiễm môi trường. NOx phụ thuộc vào sự phân bố nhiệt độ và thành phần hỗn hợp nhiên liệu/ không khí trong buồng cháy.
H T.N Anh, N M Tiến, N L.C Thành, P M Tùng, Đ P Ngưu, P M Mận, T D Quốc, T P Dinh, B V Hùng 14 ẢNH HƯỞNG HÀM LƯỢNG HYDROGEN ĐẾN ĐỘNG CƠ CHẠY BẰNG HỖN HỢP BIOGAS-HYDROGEN TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO HYBRID EFFECT OF HYDROGEN CONTENT ON ENGINE USING BIOGAS-HYDROGEN IN HYBRID RENEWAL ENERGY SYSTEM Hồ Trần Ngọc Anh, Nguyễn Minh Tiến, Nguyễn Lê Châu Thành, Phùng Minh Tùng, Đỗ Phú Ngưu, Phạm Minh Mận, Tống Duy Quốc, Trần Phước Dinh, Bùi Văn Hùng* Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng1 Tác giả liên hệ: bvhung@ute.udn.vn (Nhận bài: 06/9/2022; Chấp nhận đăng: 19/10/2022) Tóm tắt - Hydrogen có đặc tính giới hạn cháy mở rộng, tốc độ cháy cao, hệ số khuếch tán lớn, nhiệt độ đoạn nhiệt cao nên pha trộn vào biogas giúp cải thiện hiệu suất giảm phát thải ô nhiễm Tuy nhiên, hàm lượng hydrogen cao phát thải NOx tăng tăng nhiệt độ cháy Mức độ phát thải NOx có mối quan hệ chặt chẽ với áp suất cực đại xi lanh, áp suất cực đại cao, mức độ phát thải NOx lớn Khi động làm việc với =1, với hàm lượng hydrogen từ 10-20% tính kinh tế, kỹ thuật mức độ phát thải ô nhiễm động cải thiện Tuy nhiên, hàm lượng hydrogen hỗn hợp tăng vượt 20% phát thải NOx tăng mạnh cơng thị chu trình động thay đổi theo hàm lượng hydrogen Nghiên cứu đề xuất hàm lượng thể tích hydrogen hỗn hợp với biogas khoảng 20% tối ưu hiệu suất nhiệt mức độ phát thải ô nhiễm Abstract - Hydrogen has special properties such as extended combustion limit, high combustion rate, large diffusion coefficient, high adiabatic temperature, so when added to biogas, it helps to improve efficiency and reduce pollutant emissions However, when the hydrogen content is high, NOx emissions increase due to the increase in combustion temperature The level of NOx emissions is closely related to the maximum pressure in the cylinder, the higher the peak pressure, the greater the NOx emission level When the engine is working with =1, with a hydrogen content of 10-20%, the economic, technical and emission levels of the engine are improved However, when the hydrogen content in the mixture increases beyond 20%, NOx emissions increase sharply while the indicated engine cycle work of the engine increases insignificantly with the hydrogen content Hydrogen content in the mixture with biogas about 20% is optimal both in terms of thermal efficiency and pollutant emission level Từ khóa - Năng lượng tái tạo; hydrogen; ô nhiễm không khí; động đánh lửa cưỡng Key words - Renewable energy; hydrogen; air pollution; SI engine Giới thiệu Thế giới đối mặt với gia tăng nhanh chóng nhiệt độ bầu khí phát thải CO2 Theo thỏa thuận khung chống biến đổi khí hậu tồn cầu COP 21, Paris 2015, để đạt mục tiêu giữ cho nhiệt độ bầu khí khơng tăng q 2°C từ giới cần hành động cắt giảm phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính để đưa mức phát thải mức thời kỳ tiền công nghiệp vào năm 2050 Mới đây, Hội nghị thượng đỉnh thường niên chống biến đổi khí hậu COP 26, lãnh đạo quốc gia đề chiến lược Net-Zero (tức chiến lược trung hòa carbon, mức độ phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính thấp mức độ loại bỏ chúng từ mơi trường) Tại hội nghị này, Việt Nam cam kết giảm phát thải CO2, CH4 đạt mục tiêu Net-Zero vào năm 2050 [1] Trong chờ đợi phát triển công nghệ ứng dụng rộng rãi hydrogen động đốt việc nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu tái tạo để làm giàu nhiên liệu nghèo khác có ý nghĩa thực tế Trong số nhiên liệu khí tái tạo nghèo biogas phổ biến Biogas sản xuất từ chất thải hữu cơ, đặc biệt chất thải sản xuất nông nghiệp chăn ni Biogas chứa CH4 có hàm lượng dao động khoảng 60% đến 80% Nhiệt trị thấp biogas thấp khí thiên nhiên Mặt khác, biogas có chứa CO2 nên tốc độ cháy thấp Điều gây ảnh hưởng đến tính kinh tế mức độ phát thải ô nhiễm động cơ, động cỡ nhỏ Để cải thiện tính biogas người ta pha vào nhiên liệu chất khí có nhiệt trị cao Hydrogen có nhiều ưu điểm để làm giàu biogas Nghiên cứu thực nghiệm Leung cộng [2] cho thấy, pha lượng nhỏ hydrogen vào biogas cải thiện đáng kể phạm vi ổn định lửa Zhang cộng [3] nghiên cứu pha hydrogen vào biogas để chạy động đánh lửa cưỡng thấy pha hydrogen vào biogas tốc độ tỏa nhiệt gia tăng tính ổn định trình cháy cải thiện Về mức độ phát thải ô nhiễm, nghiên cứu công bố cho thấy, pha hydrogen vào khí thiên nhiên phát thải hydrocarbon carbon monoxide (CO) giảm [4] Tuy nhiên, tăng tốc độ tỏa nhiệt tăng nhiệt độ đoạn nhiệt pha hydrogen vào nhiên liệu dẫn đến tăng áp suất nhiệt độ cháy, điều làm tăng phát thải NOx tượng kích nổ [5-7] Vì bên cạnh hiệu cải thiện tính động pha hydrogen vào biogas cần quan tâm đến mức độ phát thải NOx [8] Jeong cộng [9] The University of Danang - University of Technology and Education (Ho Tran Ngoc Anh, Nguyen Minh Tien, Nguyen Le Chau Thanh, Phung Minh Tung, Do Phu Nguu, Pham Minh Man, Tong Duy Quoc, Tran Phuoc Dinh, Bui Van Hung) ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 11.2, 2022 cho rằng, hàm lượng H2 pha vào biogas cần phải hạn chế để đảm bảo mức độ phát thải NOx nằm giới hạn cho phép Kết nghiên cứu cho thấy, việc phối hợp sử dụng biogas hydrogen giúp nâng cao hiệu q trình cháy giảm phát thải nhiễm Giải pháp có nhiều triển vọng việc mở rộng ứng dụng nhiên liệu tái tạo động đốt [10-12] Nghiên cứu tổng quan cho thấy việc làm giàu biogas hydrogen rõ ràng cải thiện trình cháy động Tuy nhiên, mặt trái làm tăng phát thải NOx, gây ô nhiễm môi trường NOx phụ thuộc vào phân bố nhiệt độ thành phần hỗn hợp nhiên liệu/ khơng khí buồng cháy Vì việc nghiên cứu tường tận trình tạo hỗn hợp động chạy biogas làm giàu hydrogen cần thiết để nâng cao tối đa hiệu sử dụng nhiên liệu tái tạo Nghiên cứu mô Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng động tĩnh đánh lửa cưỡng Honda GX200 để cải tạo thành động chạy biogas-hydrogen điều khiển điện tử phù hợp với điều kiện làm việc hệ thống lượng tái tạo hybrid Động có đường kính xi lanh 68mm, hành trình piston 45mm, tỉ số nén 8,5 Động phát công suất cực đại 4,8kW tốc độ 3600 v/ph chạy xăng Động nguyên thủy cấp nhiên liệu qua chế hịa khí, đánh lửa magneto với góc đánh lửa sớm ban đầu cố định Để động chạy nhiên liệu biogas-hydrogen với tỷ lệ thành phần thay đổi, chế hịa khí hệ thống đánh lửa nguyên thủy động thay hệ thống phun đánh lửa điều khiển điện tử Hình giới thiệu xi lanh đường nạp động sau cải tạo 15 không gian xi lanh chia lưới rộng khơng gian cịn lại Trong nghiên cứu này, khơng gian tính tốn chia làm khu vực: Xi lanh, buồng cháy đường nạp Mỗi khu vực có kích cỡ chia lưới khác Hình giới thiệu kết chia lưới khơng gian tính tốn Khơng gian xi lanh hình dạng phần tử đơn giản; Khơng gian buồng cháy, kích thước phần tử bé để tăng độ xác tính tốn lan tràn màng lửa; Khơng gian đường nạp kích thước phần tử lớn để giảm thời gian tính tốn Có tổng số 317.243 phần tử khơng gian tính tốn Hình Chia lưới khơng gian tính tốn Gói động lực học chất lỏng tính tốn thương mại (CFD) ANSYS Fluent 2021R1 sử dụng cho mô Sự hỗn loạn dịng khơng khí mơ tả mơ hình k-ε Các thơng số nhiệt động học hỗn hợp q trình cháy tính tốn mơ hình Đốt trộn hỗn hợp phần Mơ hình đốt cháy dẫn đến trạng thái cân nhiệt động loài bao gồm nồng độ CO Phát thải NOx tính mơ hình NOx nhiệt tích hợp phần mềm Fluent dựa chế Zeldovich mở rộng Kết bàn luận 3.1 Ảnh hưởng hàm lượng hydrogen đến trình tạo hỗn hợp Hình Xi lanh đường nạp động sau cải tạo Nghiên cứu giới hạn nội dung tạo hỗn hợp cháy nên khơng gian tính tốn gồm đường nạp, xi lanh buồng cháy động Thiết kế không gian thực GAMBIT Chia lưới thực tự động Fluent Do thể tích xi lanh thay đổi trình piston chuyển động nên phần tử xi lanh bị biến dạng Để đảm bảo thể tích phần tử khơng q bé dẫn đến dừng chương trình q trình tính tốn, Hình Biến thiên lưu lượng khơng khí, lưu lượng nhiên liệu hệ số tương đương theo góc quay trục khuỷu (n=3600 v/ph, M7C3, φp=70°TK, pp=0,5 bar, dp=5,5mm) 16 H T.N Anh, N M Tiến, N L.C Thành, P M Tùng, Đ P Ngưu, P M Mận, T D Quốc, T P Dinh, B V Hùng Hình giới thiệu đường đồng mức hệ số tương đương, nồng độ CH4 mặt cắt ngang buồng cháy thời điểm 340°TK (20°TK trước ĐCT) biến thiên lưu lượng khơng khí, lưu lượng nhiên liệu, hệ số tương đương theo góc quay trục khuỷu Động chạy tốc độ 3600 vòng/phút Nhiên liệu M7C3 cung cấp qua vòi phun đường kính 5,5mm, áp suất phun 0,5 bar Chúng ta thấy hệ số tương đương trung bình buồng cháy đạt giá trị =1 phân bố nồng độ CH4 hệ số tương đương buồng cháy không hoàn toàn đồng Hệ số tương đương dao động khoảng từ 0,8 đến 1,1 với khu vực hỗn hợp nghèo nằm phía xu páp nạp Tại thời điểm đánh lửa, hệ số tương đương hỗn hợp quanh nến đánh lửa khoảng =1 Điều giúp cho trình đánh lửa diễn thuận lợi Để đạt hệ số tương đương trung bình =1 thời gian phun nhiên liệu trường hợp φp=70°TK tăng đỉnh đường cong tỏa nhiệt dịch xa ĐCT khiến cho áp suất cực đại giảm Sự gia tăng cơng thị chu trình theo hàm lượng hydrogen chất lượng trình cháy cải thiện, tốc độ cháy tăng làm tăng hiệu sử dụng nhiệt Hình Ảnh hưởng hàm lượng hydrogen pha vào biogas M7C3 đến biến thiên tốc độ tỏa nhiệt áp suất xi lanh động chạy tốc độ 2100 v/ph (a) 3600 v/ph (b) Hình Ảnh hưởng hàm lượng hydrogen pha vào biogas M7C3 đến biến thiên nồng độ nhiên liệu theo góc quay trục khuỷu động chạy tốc độ 2100 v/ph 3600 v/ph Ứng với biogas có thành phần CH4 cho trước, tăng hàm lượng H2 nồng độ mol nhiên liệu tăng để đảm bảo hệ số tương đương khơng thay đổi (Hình 6a Hình 6b) Kết tính tốn hình cho thấy, hàm lượng hydrogen tăng độ dốc đường cong tiêu thụ nhiên liệu tăng lên rõ rệt dù động chạy tốc độ 2100 v/ph hay 3600 v/ph So với chạy biogas M7C3 thời gian cháy giảm 60°TK 30°TK tương ứng với động chạy tốc độ 3600 v/ph 2100 v/ph với nhiên liệu M7C3-40H Hình Biến thiên lưu lượng khơng khí, lưu lượng nhiên liệu hệ số tương đương theo góc quay trục khuỷu (n=3600 v/ph, M7C3-30H, φp=77°TK, pp=0,5 bar, dp=5,5mm) Hình giới thiệu diễn biến thơng số q trình nạp phun nhiên liệu M7C3 làm giàu 30% hydrogen Chúng ta thấy, phân bố nồng độ CH4, H2 hệ số tương đương buồng cháy tương tự trường hợp động chạy biogas M7C3 Để đạt hệ số tương đương =1 trường hợp trên, góc phun nhiên liệu trường hợp φp=77TK, lớn 7TK so với trường hợp động chạy biogas M7C3 3.2 Ảnh hưởng hàm lượng hydrogen đến trình cháy phát thải ô nhiễm Hình 5a Hình 5b giới thiệu biến thiên áp suất tốc độ tỏa nhiệt động chạy biogas M7C3 M7C3-40H tốc độ 2100 v/ph 3600 v/ph Kết cho thấy, tăng hàm lượng hydrogen hỗn hợp với biogas tốc độ tỏa nhiệt tăng đỉnh cực đại tiến gần ĐCT Điều dẫn đến tăng áp suất cực đại động Cùng chế độ cung cấp nhiên liệu, tốc độ động Hình Biến thiên áp suất cực đại công thị chu trình theo hàm lượng hydrogen pha vào biogas M7C3 động chạy tốc độ 2100 v/ph (a) 3600 v/ph (b) Biến thiên công thị chu trình theo hàm lượng H2 pha vào biogas M7C3 động chạy tốc độ 2100 v/ph 3600 v/ph trình bày Hình 7a Hình 7b Chúng ta thấy hàm lượng hydrogen pha vào biogas thấp 20% cơng thị chu trình động tăng nhanh theo hàm lượng H2 Khi hàm lượng H2 tăng vượt q ngưỡng cơng thị chu trình động thay đổi theo hàm lượng hydrogen Điều giải thích nhiệt lượng nhiên liệu mang vào động giảm tăng hàm lượng H2 Mặt khác, ảnh hưởng ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 11.2, 2022 việc gia tăng tốc độ cháy đến chất lượng q trình cháy khơng tăng tuyến tính theo hàm lượng H2 pha vào biogas Vì hàm lượng H2 vượt 20% tác động việc cải thiện tốc độ cháy khơng cịn gia tăng hàm lượng H2 thấp Do đó, mặt hiệu sử dụng nhiệt việc pha 20% hydrogen vào biogas tối ưu Điều phù hợp với hệ thống lượng hybrid lượng điện sử dụng để điện phân nước sản xuất hydrogen hệ thống có giới hạn Hình 8a biểu diễn tổng hợp biến thiên T thai, Wi, CO, HC NOx theo hàm lượng hydrogen pha vào biogas M7C3 động chạy tốc độ 2100 v/ph với hệ số tương đương =1 Chúng ta thấy, nhiệt độ khí thải biến thiên phạm vi hẹp từ 1430 đến 1500K, đạt giá trị nhỏ ứng với hàm lượng 20% hydrogen W i tăng từ 184 J/ct lên 209 J/ct hàm lượng hydrogen tăng từ 0% lên 20% Tuy nhiên, sau W i khơng thay đổi hàm lượng hydrogen tăng từ 20% lên 40% Như giải thích đây, gia tăng W i chủ yếu cải thiện tốc độ cháy Với hàm lượng hydrogen khoảng từ 10-20% ảnh hưởng tốc độ cháy đến hiệu sử dụng nhiệt đạt mức tối đa nên gia tăng hàm lượng hydrogen vào biogas không đem lại hiệu tiếp tục Về mức độ phát thải ô nhiễm, NO x tăng theo hàm lượng hydrogen pha vào biogas gia tăng nhiệt độ cực đại Trong đó, CO HC đặt giá trị cực tiểu hàm lượng hydrogen biogas khoảng 10-20% Với hàm lượng hydrogen này, việc giảm lượng nhiên liệu mang vào động mức vừa phải ảnh hưởng tốc độ cháy đến hiệu sử dụng nhiệt tăng nên trình cháy diễn hoàn hảo 17 ổn định quanh giá trị Wi=196 J/ct hàm lượng hydrogen tăng từ 20% lên 40% Trong hai trường hợp, CO HC đạt cực tiểu hàm lượng hydrogen nằm khoảng 10% đến 20% Trong NOx tăng nhanh theo hàm lượng hydrogen %H nhỏ 20% tốc độ tăng chậm lại hàm lượng hydrogen cao giá trị Khi pha hydrogen vào biogas tốc độ cháy tăng, q trình cháy diễn với hỗn hợp nghèo hệ số tương đương tối ưu tiến gần đến =1 Hình giới thiệu biến thiên cơng thị chu trình mức độ phát thải ô nhiễm động chạy nhiên liệu M7C3-20H Chúng ta thấy đỉnh đường cong Wi() nằm gần sát =1 Mức độ phát thải CO, HC, NOx thấp nhiều so với trường hợp động chạy biogas mô tả Hình 8a Hình 8b Hình Biến thiên thơng số đặc trưng q trình cháy theo hệ số tương đương động chạy tốc độ 3600 v/ph với nhiên liệu M7C3-20H Hình Ảnh hưởng hàm lượng hydrogen pha vào biogas M7C3 đến trình cháy phát thải nhiễm động chạy tốc độ 2100 v/ph (a) 3600 v/ph (b) với =1 Kết luận Kết nghiên cứu cho phép rút kết luận sau: - Hiệu công tác động biogas cải thiện tối đa pha 20% hydrogen vào biogas M7C3 Quá ngưỡng này, tính động không thay đổi tăng hàm lượng hydrogen pha vào biogas - Khi pha hydrogen vào biogas tính động cải thiện khơng phải lượng mang vào buồng cháy mà gia tăng tốc độ cháy mở rộng giới hạn cháy giúp cho trình cháy tối ưu diễn gần giá trị =1 động chạy biogas - Trong điều kiện vận hành tối ưu, pha 20% hydrogen vào biogas M7C3 cơng thị tăng trung bình 16%, phát thải CO HC giảm trung bình từ 5-10 lần, phát thải NOx tăng khoảng 10-15% Hình 8b biểu diễn biến thiên đại lượng tương tự trường hợp ứng với tốc độ động 3600 v/ph Quy luật biến thiên Wi theo %H tương tự trường hợp Wi tăng 16% hàm lượng hydrogen tăng từ 0% đến 20% sau Wi gần Lời cảm ơn: Nghiên cứu tài trợ kinh phí Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng đề tài “Nghiên cứu chuyển đổi động tĩnh dùng chế hịa khí sang động phun LPG điều khiển điện tử” có mã số: T2021-06-09 18 H T.N Anh, N M Tiến, N L.C Thành, P M Tùng, Đ P Ngưu, P M Mận, T D Quốc, T P Dinh, B V Hùng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] VNA/VNS, “Việt Nam strives to achieve ‘net zero’ by 2050, with international support: PM”, Việt Nam News, November, 02/2021 [2] https://vietnamnews.vn/environment/1071075/viet-nam-strives-toachieve-net-zero-by-2050-with-international-support-pm.html [3] Leung, T., and I Wierzba, "The effect of hydrogen addition on biogas non-premixed jet flame stability in a co-flowing air stream", International Journal of Hydrogen Energy, 33.14, 2008, 3856-3862 [4] Xin, Zhang, et al "The experimental study on cyclic variation in a spark ignited engine fueled with biogas and hydrogen blends”, International Journal of Hydrogen Energy, 38.25, 2013, 1116411168 [5] Sunyoup Lee, Cheolwoong Park, Seunghyun Park, Changgi Kim, "Comparison of the effects of EGR and lean burn on an SI engine fueled by hydrogen-enriched low calorific gas" International journal of hydrogen energy, 39.2, 2014, 1086-1095 [6] Porpatham, E., A Ramesh, and B Nagalingam "Effect of hydrogen addition on the performance of a biogas fuelled spark ignition engine”, International journal of Hydrogen energy, 32.12, 2007 2057-2065 [7] Park C, Park S, Lee Y, Kim C, Lee S, Moriyoshi Y (2011): "Performance and emission characteristics of a SI engine fueled by low calorific biogas blended with hydrogen”, International Journal of hydrogen energy, 36.16, 2011, 10080-10088 [8] Park, Seunghyun, Cheolwoong Park, and Changgi Kim, "Effect of exhaust gas recirculation on a spark ignition engine fueled with biogas-hydrogen blends", SAE Technical Paper, No 2011-24-0115 [9] Ibrahim, Amr, and Saiful Bari "A comparison between EGR and lean-burn strategies employed in a natural gas SI engine using a twozone combustion model" Energy Conversion and Management, 50.12, 2009, 3129-3139 [10] Jeong C, Kim T, Lee K, Song S, Chun K, "Generating efficiency and emissions of a spark-ignition gas engine generator fuelled with biogas–hydrogen blends”, International Journal of hydrogen energy, 34.23, 2009, 9620-9627 [11] Bui Van Ga, Tran Van Nam, Bui Thi Minh Tu, Nguyen Quang Trung "Numerical simulation studies on performance, soot and NOx emissions of dual‐fuel engine fuelled with hydrogen enriched biogas mixtures”, IET Renewable Power Generation, 12.10, 2018, 1111-1118 [12] Boretti, Alberto "Comparison of fuel economies of high efficiency diesel and hydrogen engines powering a compact car with a flywheel based kinetic energy recovery systems”, International Journal of Hydrogen Energy, 35.16, 2010, 8417-8424 [13] Bui Van Ga, Tran Van Nam, Nguyen Thi Thanh Xuan, "Utilization of biogas engines in rural area: A contribution to climate change mitigation", Colloque International RUNSUD 2010, Universite Nice-Sophia Antipolis, France, 23-25 Mars 2010, pp 19-31 ... cải tạo thành động chạy biogas -hydrogen điều khiển điện tử phù hợp với điều kiện làm việc hệ thống lượng tái tạo hybrid Động có đường kính xi lanh 68mm, hành trình piston 45mm, tỉ số nén 8,5 Động. .. Zeldovich mở rộng Kết bàn luận 3.1 Ảnh hưởng hàm lượng hydrogen đến trình tạo hỗn hợp Hình Xi lanh đường nạp động sau cải tạo Nghiên cứu giới hạn nội dung tạo hỗn hợp cháy nên không gian tính tốn... động tăng nhanh theo hàm lượng H2 Khi hàm lượng H2 tăng vượt q ngưỡng cơng thị chu trình động thay đổi theo hàm lượng hydrogen Điều giải thích nhiệt lượng nhiên liệu mang vào động giảm tăng hàm