Mô đun điện rác thông qua rdf sản xuất từ chất thải rắn ở nông thôn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG  BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ ại Đ c họ Mô-đun điện-rác thông qua RDF sản xuất từ chất thải rắn nông thôn Đ ẵn N Mã số: B2021-DNA-03 g Cơ quan chủ trì: Chủ nhiệm đề tài: ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG GS.TSKH BÙI VĂN GA ĐÀ NẴNG, 01/2023 ại Đ c họ Đ g ẵn N MỤC LỤC Trang Mở đầu Chương TỔNG QUAN VỀ THU HỒI NĂNG LƯỢNG TỪ RÁC THẢI 1.1 Tình hình xử lý rác thải nơng thơn 1.2 Xử lý chất thải rắn thông qua sản xuất RDF 1.3 Khí hóa nhiên liệu rắn 1.4 Ứng dụng syngas động đốt 1.5 Kết luận Đ ại Chương THÍ NGHIỆM ÉP VIÊN NÉN RDF TỪ CHẤT THẢI RẮN Ở NÔNG THÔN 2.1 Thành phần chất thải rắn thực tế khu vực ngoại thành Đà Nẵng 2.2 Tính tốn thiết kế máy ép RDF thí nghiệm 2.3 Sản phẩm viên nén RDF thí nghiệm 2.4 Kết luận c họ Đ N g ẵn Chương MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM KHÍ HĨA RDF 3.1 Nghiên cứu mô 3.2 Kết mô 3.3 Nghiên cứu thực nghiệm 3.4 So sánh kết mô thực nghiệm 3.5 Kết luận Chương TÍNH TỐN MƠ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC CHẠY BẰNG SYNGAS 4.1 Mơ q trình nạp syngas 4.2 Vịi phun kép 4.3 Mơ q trình cháy động chạy syngas 4.4 Kết luận 3 3 4 5 8 12 12 14 15 15 16 17 20 Chương CẢI TẠO ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC TRUYỀN THỐNG SANG SỬ DỤNG SYNGAS 5.1 Mơ hình vật lý thử nghiệm ECU điều khiển động nhiên liệu khí linh hoạt 5.2 Cải tạo động 5.3 Bố trí hệ thống thí nghiệm động 5.4 Kết thí nghiệm với nhiên liệu mơ 5.5 Thí nghiệm động chạy syngas 5.6 Kết luận KẾT LUẬN 21 21 21 23 23 25 26 27 ại Đ c họ Đ g ẵn N MỞ ĐẦU Xử lý chất thải rắn sinh hoạt sản xuất nói chung xử lý chất thải rắn nơng thơn nói riêng vấn đề xúc thực tế Hiện nước ta chưa có mơ hình xử lý rác bền vững để áp dụng rộng rãi Chôn lấp rác tạo sức ép lớn quỹ đất hệ lụy môi trường, bãi chôn lấp rác không qui cách hợp vệ sinh Đốt rác theo kiểu truyền thống kèm công nghệ xử lý khí thải tốn lượng chất thải rắn cịn lại phải chơn lấp chiếm tỉ lệ lớn Việc đốt rác sinh hoạt chất thải rắn sản xuất nông thôn không gian hở, không kiểm sốt vừa gây nhiễm mơi trường, vừa gây lãng phí lượng ại Đ Trước thực trạng nêu trên, năm 2018, Thủ tướng Chính phủ ban hành Quyết định số 491/QĐ-TTg phê duyệt điều chỉnh chiến lược quốc gia quản lý tổng hợp chất thải rắn đến năm 2025, tầm nhìn đến năm 2050 Quyết định nêu ưu tiên ứng dụng công nghệ xử lý chất thải rắn tiên tiến, thân thiện môi trường; lựa chọn công nghệ xử lý chất thải rắn kết hợp với thu hồi lượng, giảm phát thải khí nhà kính Đối với chất thải rắn sinh hoạt nơng thơn Quyết định nêu mục tiêu 80% lượng chất thải rắn sinh hoạt phát sinh khu dân cư nông thôn tập trung thu gom, lưu giữ, vận chuyển, xử lý đáp ứng yêu cầu bảo vệ môi trường; việc đầu tư xây dựng sở xử lý chất thải rắn sinh hoạt phải đảm bảo tỷ lệ chôn lấp sau xử lý không 20% Như theo tinh thần định định hướng nghiên cứu cơng nghệ xử lý chất thải rắn nói chung nơng thơn nói riêng giảm thiểu chất thải chôn lấp kết hợp thu hồi lượng rác thải Vì thế, sản xuất điện từ chất thải rắn, gọi tắt điện-rác, thuật ngữ quốc tế chuyên môn thường viết tắt WtE, phù hợp với chủ trương Chính phủ họ c Bên cạnh đó, để chung tay công đồng quốc tế cắt giảm phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính nhằm giữ cho nhiệt độ bầu tăng không 2C vào cuối kỷ này, Hội nghị Thượng đỉnh biến đổi khí hậu COP26 diễn Glasgow đây, Việt Nam cam kết thực chế theo Thỏa thuận Paris, để đạt mức phát thải ròng (Net Zero) vào năm 2050 Trọng tâm chiến lược chuyển đổi nhanh chóng sâu rộng hệ thống lượng, bao gồm giảm mạnh việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch, điện khí hóa rộng rãi lĩnh vực sử dụng lượng đầu cuối khống chế mức phát thải carbon Vì vậy, xây dựng kinh tế tuần hoàn, thu hồi lượng từ chất thải rắn góp phần thực đồng thời hai mục tiêu: giảm lượng chất thải rắn phải chôn lấp giảm phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính Đ g ẵn N Trong phạm vi đề tài này, nghiên cứu thu hồi lượng từ chất thải rắn nông thôn thông qua sản xuất RDF Nhiên liệu syngas thu hồi từ khí hóa RDF sử dụng riêng rẽ phối hợp với nguồn lượng tái tạo khác biogas, hydrogen để sản xuất điện thông qua động đốt Chất lượng syngas phụ thuộc vào biomass đầu vào điều kiện khí hóa Biomass đa dạng khác biệt tính chất Ngay loại biomass, tính chất chúng khác theo mùa vụ, điều kiện mơi trường Trên thực tế, tính khơng đồng sinh khối nhược điểm q trình khí hóa khó xác định điều kiện vận hành tối ưu đặc tính sản phẩm cuối Sự thay đổi thành phần nhiên liệu ảnh hưởng đến tính q trình cháy phát thải nhiễm động Đó thách thức cần có xử lý để góp phần thực việc thu hồi lượng từ biomass Đề tài “Mô đun điện-rác thông qua RDF sản xuất từ chất thải rắn nông thôn, Mã số: B2021-DNA-03”, góp phần nghiên cứu mơ đun sản xuất điện từ chất thải rắn nông thôn theo hướng tiếp cận nhằm khai thác tối đa lượng từ rác, giảm thiểu chất thải phải chơn lấp sau xử lý Vì đề tài có ý nghĩa thiết thực đối chiến lược phát triển ứng dụng lượng tái tạo nước ta Để đạt mục tiêu trên, đề tài tập trung nghiên cứu ba vấn đề chính, sản xuất RDF, khí hóa RDF sử dụng syngas từ khí hóa RDF để chạy động đánh lửa cưỡng kéo máy phát điện Trong điều kiện nguồn lực có giới hạn, phạm vi nghiên cứu đề tài tập trung giải vấn đề bản, qui mô thử nghiệm MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Nghiên cứu sản xuất Mô-đun điện-rác thông qua RDF sản xuất từ chất thải rắn nông thôn ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU - Viên nén nhiên liệu RDF từ chất thải rắn nông thôn; - Nhiên liệu syngas từ q trình khí hóa RDF; - Động cơ-máy phát điện chạy syngas PHẠM VI NGHIÊN CỨU Mô đun điện-rác qui mơ thí nghiệm; - Chất thải rắn hữu sản xuất sinh hoạt nông thôn sử dụng nghiên cứu gồm chất thải sản xuất nông-lâm nghiệp phối hợp với số thành phần chất thải sinh hoạt phân loại; - Lưu lượng syngas lị khí hóa nhỏ 30m3/h; - Động syngas có cơng suất nhỏ 5kW ại Đ - CÁCH TIẾP CẬN, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU họ 4.1 Cách tiếp cận Dựa vào chủ trương, sách Chính phủ xử lý chất thải rắn; - Phân tích tình trạng xử lý chất thải rắn nước ta dự báo tương lai; - Tổng hợp kinh nghiệm giới xử lý chất thải rắn; - Những ưu điểm công nghệ xử lý rác thông qua sản xuất viên nén nhiên liệu RDF phù hợp công nghệ chủ trương Chính phủ xử lý chất thải rắn - Trên sở thơng tin kinh nghiệm có được, nghiên cứu công nghệ điện-rác thông qua RDF sản xuất từ chất thải rắn nông thôn qui mô thử nghiệm - Kết nghiên cứu tạo tảng để phát triển sản xuất mô -đun điện-rác có cơng suất phù hợp với qui mơ phát sinh chất thải rắn địa bàn dân cư khác nông thôn c - Đ g ẵn N 4.2 Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu mô thực nghiệm động chạy syngas; - Nghiên cứu thực nghiệm sản xuất RDF; - Nghiên cứu thực nghiệm q trình khí hóa RDF; - Phân tích, đánh giá tổng thể hiệu kinh tế-mơi trường việc xử lý chất thải rắn công nghệ điện-rác thông qua RDF Chương TỔNG QUAN VỀ THU HỒI NĂNG LƯỢNG TỪ RÁC THẢI 1.1 Tình hình xử lý rác thải nông thôn Việt Nam có 60 triệu dân sống vùng nơng thơn, chiếm 73% dân số nước Mỗi năm khu vực nông thôn phát sinh 13 triệu rác thải sinh hoạt, khoảng 1.300 triệu m3 nước thải khoảng 7.500 vỏ bao bì thuốc bảo vệ thực vật Khối lượng phế phụ phẩm sau thu hoạch rơm, rạ, trấu, cám, lõi ngô ngày tăng nhanh Đ Theo ước tính có khoảng 80% khối lượng rác thải, nước thải sinh hoạt nơng thơn hầu hết lượng vỏ bao bì thuốc bảo vệ thực vật chưa thu gom để xử lý hợp vệ sinh xả trực tiếp vào môi trường Thực Chương trình Nơng thơn mới, số địa phương cấp kinh phí để xã xây dựng điểm tập kết rác, trang bị lò đốt rác quy mơ nhỏ Tuy nhiên, lị thiếu hệ thống xử lý khí thải, việc bảo trì, bảo dưỡng không thực chu đáo nên không phát huy hiệu Mặt khác tính chất phức tạp rác thải Việt Nam không phân loại từ nguồn, lẫn nhiều tạp chất nên chất lượng sản phẩm làm từ phương thức sản xuất phân vi sinh không tốt, không tiêu thụ khiến nhiều dự án nước triển khai phải dừng hoạt động ại Việc xử lý chấy thải rắn nông thôn nước ta theo cách truyền thống chơn lấp, số địa phương đốt rác để lấy nhiệt phát điện Những giải pháp thiếu tính bền vững không thu hồi hiệu lượng từ rác, khơng giảm lượng rác cịn phải chơn lấp sau xử lý theo chủ trường Chính phủ Vì việc thu hồi lượng từ rác cần phải theo cách tiếp cận khác c họ 1.2 Xử lý chất thải rắn thông qua sản xuất RDF Đ Chuyển đổi rác thải sinh hoạt thành viên nén (RDF) để thu hồi lượng khí hóa giải pháp cơng nghệ nhiên liệu sinh học Công nghệ RDF phát triển từ 1970 ngày cho thấy cơng nghệ hiệu để xử lý chất thải rắn sinh hoạt Mật độ cao RDF giúp cho lưu trữ, vận chuyển chúng đến nơi sử dụng dễ dàng đồng thời làm tăng tính đồng nhiên liệu q trình chuyển hóa lượng RDF từ rác thải sinh hoạt nguồn lượng thay Nó chứa chất có nhiệt trị cao giấy, nhựa, vải nên sử dụng công nghệ RDF ngày phát triển mạnh thay giải pháp đốt rác truyền thống g ẵn N Do ưu điểm RDF giảm thể tích chất thải rắn thu hồi nhiệt dễ dàng nên công nghệ ngày giới công nghiệp quan tâm RDF nguồn nhiên liệu rẻ sử dụng công nghiệp xi măng nhiều nước giới Ở Châu Âu, có đến 70% lượng tiêu thụ cho sản xuất xi măng sinh từ RDF Như phân tích phần trên, chất thải rắn nơng thơn ngồi chất thải sinh hoạt cịn chất thải sản xuất nông lâm nghiệp Các chất thải sinh khối, có giá trị năn lượng cao Do việc chế biến chất thải rắn nơng thơn thành RDF giúp lưu trữ lượng sinh khối để chủ động kế hoạch sử dụng Ngoài ra, lưu trữ sinh khối dạng RDF cịn sử dụng chúng hệ thống lượng tái tạo hybrid 1.3 Khí hóa nhiên liệu rắn Khí hóa rác thải để thu nhiệt phát triển từ nhiều thập niên Q trình khí hóa làm giảm 70% khối lượng 90% thể tích chất thải rắn, giảm phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính, tiết kiệm đất sử dụng cho bãi chôn lấp Sản phẩm q trình khí hóa syngas Chất lượng syngas phụ thuộc vào biomass đầu vào điều kiện hóa Biomass đa dạng với tính chất khác biệt Ngay loại sinh khối có thành phần đặc điểm khác Trên thực tế, tính khơng đồng sinh khối nhược điểm q trình khí hóa khó xác định điều kiện vận hành tối ưu đặc tính sản phẩm cuối Như thành phần CO, H2, CH4 syngas nhận từ q trình khí hóa phụ thuộc ngun liệu đầu vào thơng số vận hành lị Sự thay đổi thành phần nhiên liệu ảnh hưởng đến tính q trình cháy phát thải nhiễm động Thông thường chuyển sang chạy syngas cơng suất động giảm 15%-20% so với động diesel giảm 30%-40% so với động xăng Khi LHV syngas thấp trình cháy khơng ổn định làm giảm hiệu suất động Vì thế, để sử dụng động SI nhiệt trị syngas phải cao 4,2 MJ/Nm3 1.4 Ứng dụng syngas động đốt Về ứng dụng syngas động đốt trong, nghiên cứu gần cho thấy cần lưu ý vấn đề phát sinh liên quan đến tạp chất syngas tụt giảm công suất động nhiệt trị nhiên liệu thấp So với ứng dụng syngas turbine khí việc ứng dụng nhiên liệu động đốt phù hợp mức độ yêu cầu tạp chất nhiên liệu khắc khe Trong loại tạp chất dầu hắc chứa syngas chất gây trở ngại lớn động ại Đ Trong syngas có chứa CO, CH4, H2 tạp chất CO2, N2 Hydrogen có giới hạn cháy rộng tốc độ cháy cao Tuy nhiên, hydrogen có nhược điểm quan trọng mật độ lượng thể tích thấp làm giảm công suất động nhiệt độ cháy cao làm tăng phát thải NOx Bên cạnh đó, lượng đánh lửa thấp giới hạn cháy rộng dễ gây tượng cháy khơng bình thường buồng cháy tượng cháy ngược đường nạp c họ CH4 có tốc độ cháy thấp nhiệt trị thể tích cao Trong biogas hay syngas, thành phần chất khí trơ CO2, N2 chiếm tỷ lệ lớn nên tốc độ cháy hỗn hợp nhiên liệu giảm Để nâng cao hiệu q trình cháy phải tăng góc đánh lửa sớm nhiên liệu nghèo Ngược lại, thành phần hydrogen tăng góc đánh lửa sớm tối ưu giảm Việc điều chỉnh linh hoạt góc đánh lửa sớm theo thành phần nhiên liệu khó thực hệ thống đánh lửa truyền thống Giải pháp xử lý vấn đề chuyển hệ thống đánh lửa kiểu truyền thống sang hệ thống đánh lửa điều khiển điện tử Việc nghiên cứu phát triển động đánh lửa cưỡng có khả làm việc với nhiên liệu khí có thành phần thay đổi linh hoạt tạo điều kiện ứng dụng rộng rãi lượng tái tạo nói chung lượng thu hồi từ chất thải rắn nói riêng Đ ẵn N 1.5 Kết luận g Nghiên cứu tổng quan cho phép rút kết luận sau đây: - Thu hồi lượng từ chất thải rắn sinh hoạt sản xuất nông thôn giải pháp hữu hiệu giúp đạt đồng thời hai mục tiêu: giảm lượng chất thải rắn phải chơn lấp giảm phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính, góp phần thực chiến lược net-zero - Giải pháp đốt rác để thu hồi lượng kiểu truyền thống không bền vững hiệu thu hồi nhiệt thấp, xử lý khí thải phức tạp, lượng chất thải cịn phải chơn lấp sau xử lý cao biomass khó lưu trữ để sử dụng theo kế hoạch - Chế biến chất thải rắn thành RDF khí hóa chúng thành syngas để sử dụng chung với hỗn hợp biogas, hydrogen tái tạo giải pháp hiệu để nâng cao hiệu sử dụng lượng tái tạo, khắc phục nhược điểm sử dụng nguồn lượng tái tạo - Syngas có nhiệt trị thấp, tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu thấp; thành phần chất khí syngas thay đổi phạm vi rộng phụ thuộc vào biomass sử dụng chung với biogas, hydrogen Vì động sử dung syngas hay syngas-biogas-hydrogen cần có hệ thống điều khiển q trình cung cấp nhiên liệu, trình đánh lửa cách linh hoạt để đảm bảo hiệu suất cao phát thải ô nhiễm thấp Chương THÍ NGHIỆM ÉP VIÊN NÉN RDF TỪ CHẤT THẢI RẮN Ở NÔNG THÔN 2.1 Thành phần chất thải rắn thực tế khu vực ngoại thành Đà Nẵng Để có sở so sánh chất thải rắn địa phương khác nhau, tiến hành thu gom phân tích thành phần chất thải rắn khu vực ngoại thành Đà Nẵng (hình 1) Phân loại rác 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Hòa Khánh Nam Hòa Vang Sơn Trà Rác hữu Giấy Vải Bao Ny lông Nhựa Hộp sữa Xốp Đất cát Bùn Thủy tinh Lon nước Các thành phần khác ại Đ Hòa Khánh Bắc họ Hình 1: Thành phần chất thải rắn số khu vực Thành phố Đà Nẵng c Kết cho thấy khu vực Hòa Khánh Bắc Hòa Khánh Nam có thành phần chất thải nhựa cao khu vực Hòa Vang Sơn Trà Kết cho thấy gần trung tâm thành phố hàm lượng rác thải nhựa cao Tuy nhiên với thành phần chất chất thải rắn sinh hoạt Đà Nẵng nhận từ phân tích trực tiếp thấy tính chất rác thải sinh hoạt địa phương không khác biệt nhiều so với chất thải sinh hoạt nước khác giới Vì tham khảo kết phân tích thành phần nguyên tố chất thải rắn sinh hoạt nói chung tính tốn mơ Đ g ẵn N 2.2 Tính tốn thiết kế máy ép RDF thí nghiệm Hình 2: Sơ đồ lực tác dụng lên nguyên liệu RDF (a) biến thiên thành phần lực theo góc khn (b) Hình 2a giới thiệu sơ đồ lực tác dụng lên khuôn ép hình 2b giới thiệu biến thiện thành phần lực theo góc khn Để giữ cho vật liệu bên thỏi RDF kết dính lại với phải gia nhiệt quanh khuôn Khi nung nóng, thành phần nhựa nguyên liệu nóng chảy kết dính lại, tạo thành lớp vỏ quanh thỏi RDF Hình giới thiệu ảnh hưởng tốc độ dịch chuyển vật liệu qua khuôn đến phân bố nhiệt độ thỏi RDF Chúng ta thấy nhiệt độ cao đạt lớp vỏ thỏi RDF trước khỏi khn Chính vùng nhiệt độ cao chảy chất nhựa vật liệu tạo thành vỏ bao quanh, giữ cho thỏi RDF không vị vỡ vụn Cùng công suất cấp nhiệt, tốc độ dịch chuyển vật liệu khn tăng nhiệt độ truyền cho thỏi RDF giảm Vì tăng suất sản xuất RDF phải tăng công suất cấp nhiệt 465 K mm/s 405 K 395 0,5 365 325 325 mm/s 1,5 0,2 V=1,5mm/s, W=1000W/m2 Đ V=0,5mm/s, W=1000W/m2 ại Hình 3: Ảnh hưỏng tốc độ ép đến phân bố nhiệt độ viên RDF c họ Trên sở tính tốn lực ép, tính tốn thiết kế khn, khung giá máy ép lựa chọn cấu phần máy ép xi lanh thủy lực, đồng hồ áp suất, điện trở gia nhiệt… Hình 4a thiết kế phận máy ép viên nén hình 4b hình ảnh máy ép viên nén sau chế tạo xong Đ g ẵn N Xi lanh thủy lực Đồng hồ áp suất dầu Giá đỡ Phễu chứa liệu Bơm áp lực Khuôn RDF Cụm điều khiển van điện từ Bình chứa dầu Hình 4: Thiết kế phận máy ép viên nén (a) máy ép viên nén RDF thí nghiệm (b) vị trí đo cách 25mm từ mép ống cấp khí Ở khu vực phía buồng cháy, nhiệt độ thấp, giá trị thực nghiệm có khuynh hướng lớn giá trị mô Tiến sát khu vực cháy giá trị thực nghiệm nhỏ giá trị mô chênh lệch nhiệt độ tuyệt đối tăng Điều khu vực phản ứng diễn trình cháy rối nên nhiệt độ dao động Giá trị đo giá trị trung bình giá trị mơ giá trị tức thời Tuy nhiên chênh lệch tương đối nhiệt độ cho mô thực nghiệm không 10% Điều khẳng định độ tin cậy mô hình tính tốn khí hóa RDF Thực nghiệm Mơ -0,15 -0,10 -0,05 400 0,05 0,10 0,15 x(m) 600 800 1000 1200 T(K) 1400 3.5 Kết luận ại Đ Hình 17: So sánh mô thực nghiệm nhiệt độ sát thành lị đối diện với lỗ cấp khí (RDF gỗ, Qs=2g/s, f=0,5) họ Kết nghiên cứu cho phép rút kết luận sau: Q trình khí hóa RDF lị khí hóa kiểu hút lên tính tốn mơ phần mềm Ansys Fluent Các viên RDF phân bố ngẫu nhiên lị với nhiệt độ thành thay đổi Hệ số khơng khí dư biểu diễn thông qua thành phần hỗn hợp f Quá trình cháy khí hóa mơ thơng qua mơ hình cháy hịa trộn trước cục - Khi khí hóa sọ dừa, giảm hệ số khơng khí dư ER hàm lượng CH4 syngas tăng hàm lượng H2 giảm Nhiệt trị nhiên liệu tăng nhanh giảm ER từ 0,9 đến 0,4 Nếu tiếp tục giảm ER nhiệt trị syngas thay đổi không đáng kể giảm H2 tăng CO2 Vì để đảm bảo hiệu khí hóa sọ dừa ER nằm khoảng 0,3 đến 0,4 - Nhiệt độ khu vực hoàn nguyên tối ưu khí hóa sinh khối nói chung nằm khoảng từ 900K-1000K Khi nhiệt độ vùng hoàn nguyên nhỏ 900K nhiệt trị syngas giảm nhanh Khi nhiệt độ khu vực hồn ngun tăng hàm lượng CO tăng hàm lượng CH4 giảm, nhiệt trị syngas tăng nhẹ nhiệt độ khu vực hoàn nguyên lớn 1000K - Khi khí hóa hỗn hợp RDF 90% gỗ+10% trấu thành phần hỗn hợp tối ưu khoảng 0,4 Khi tỉ lệ RDF trấu hỗn hợp tăng thành phần CH4 syngas giảm nhanh theo f dẫn đến tụt giảm mạnh nhiệt trị nhiên liệu RDF trấu cho thành phần CO H2 cao gỗ thành phần CH4 syngas RDF gỗ cao syngas RDF trấu Nhiệt trị syngas từ khí hóa trấu nhỏ nhiệt trị syngas từ khí hóa gỗ (6,82 MJ/kg so với 7,21 MJ/kg) - Chênh lệch nồng độ CO2 thực nghiệm mơ khơng q 15% cịn sai lệch nồng độ CH4 thực nghiệm mô không 10% Chênh lệch tương đối nhiệt độ cho mô thực nghiệm không 10% Điều khẳng định độ tin cậy mơ hình tính tốn khí hóa RDF c - Đ g ẵn N 14 Chương TÍNH TỐN MƠ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC CHẠY BẰNG SYNGAS 4.1 Mơ q trình nạp syngas Syngas 60TK 40TK Biogas c họ 180TK ại Đ 360TK Đ GX200_Biogas_dp9_pp05_38CA 1.2 0.04 0.018 0.9 0.03 0.6 0.02 1.2 0.01 0.6  0.006 0.3 0 -0.006 60 120 180  (TK) (b) 240 Qkk Q_air Qnl Q_dp9 f 1.8 0 300 -0.3 2.4  Qkk Q_air Qnl Q_dp9 f 0.012 Q (kg/s) 0.024 g Q (kg/s) ẵn N (a) GX200_Syngas_dp9_pp05_150CA -0.01 60 120 180  (TK) 240 300 -0.6 (c) Hình 18: So sánh q trình hình thành hỗn hợp nhiên liệu-khơng khí phun syngas biogas qua vịi phun Vp1 có đường kính lỗ phun 9mm, áp suất phun 0,5 bar, tốc độ động 3000 v/ph (a: đường đồng mức nồng độ nhiên liệu; b: Syngas, p=150TK; c: Biogas, p=38TK) Hình 18a giới thiệu đường đồng mức nồng độ nhiên liệu mặt cắt dọc đối xứng xi lanh đường nạp động cung cấp syngas qua vịi phun Vp1 có đường kính lỗ phun 9mm với áp suất phun 0,b bar Động chạy tốc độ 3000 v/ph Nhiên liệu Khi bắt đầu 15 phun nhiên liệu 10TK kết thúc phun 160TK, áp suất đường nạp tăng cục đẩy lượng khơng khí khỏi ống nạp nên lưu lượng khơng khí nạp âm (Hình 18b) Như sau đó, lưu lượng khơng khí tăng độ chân không xi lanh tạo piston xuống Trong điều kiện phun này, hệ số tương đương  hỗn hợp syngas-khơng khí kỳ nén đạt 0.91 nhiên lượng lớn nhiên liệu cịn sót lại đường nạp q trình nạp kết thúc Sự tích lũy lượng nhiên liệu sót đường nạp gây khó khăn kiểm sốt hệ số tương đương chu trình Trong điều kiện áp suất phun pp đường kính vịi phun dp, phun biogas góc phun p cần 38TK để đạt hệ số tương đương =1 cuối q trình nạp, tồn nhiên liệu phun hút hết vào xi lanh Sự khác biệt lớn tỉ lệ A/F syngas biogas dẫn đến chênh lệch thời gian phun điều kiện hình thành hỗn hợp xi lanh động 4.2 Vịi phun kép ại Đ Để cung cấp hỗn hợp nhiên liệu trường hợp tỉ số A/F nhiên liệu thành phần thay đổi phạm vi rộng đề xuất sử dụng vịi phun: vịi phun Vp3 có đường kính lỗ phun 4mm vịi phun Vp4 có đường kính lỗ phun 6mm (hình 19) Góc phun vịi phun Vp3 130TK cịn góc phun vịi phun Vp4 115TK Với điều kiện phun này, cuối trình nén, thành phần hỗn hợp buồng cháy thay đổi phạm vi 0,98 đến 1,02 Cuối trình nạp nồng độ HC cịn sót lại đường nạp quanh vịi phun khoảng 6%, nhỏ so với nồng độ HC buồng cháy khoảng 25% Vì trường hợp động chạy hồn tồn syngas, hệ thống hai vịi phun có đường kính 6mm 4mm chấp nhận Trong kỳ nén, khu vực nồng độ nhiên liệu cao tập trung đầu xi lanh phía đối diện với cửa nạp Tuy nhiên thời điểm 330TK, nhiên liệu gần phân bố đồng buồng cháy GX200_BG0_Synggas_dp4-130CA-d5-115CA_pp10_massflow =20TK  V(m/s) Đ =330TK g ẵn N =200TK c họ HC(%) Hình 19: Đường đồng mức nhiên liệu, hệ số tương đương tốc độ cung cấp nhiên liệu syngas qua vòi phun Vp3 (p=130TK) Vp4 (p=115TK), áp suất phun bar, n=3000 v/ph Hình 20a giới thiệu biến thiên góc mở vòi phun Vp3 Vp4 theo hàm lượng biogas hỗn hợp syngas-biogas để đảm bảo =1 vào cuối kỳ nén Chúng ta thấy góc mở vịi phun Vp3 ổn định 130TK đến hàm lượng biogas hỗn hợp đạt 70% Sau góc mở vịi phun Vp3 giảm xuống đến 65TK ứng với 100% biogas Góc mở vòi phun Vp4 giảm từ 115TK (ứng với 100% syngas) xuống 26TK (ứng với 70% biogas) sau giữ ổn định giá trị đến 100% biogas Tương tự trên, hình 20b giới thiệu góc mở vịi phun theo hàm lượng hỗn hợp syngas-hydrogen Để đảm bảo =1 vào cuối kỳ nén, góc mở vịi phun Vp3 ổn định 130TK đến hàm lượng hydrogen hỗn hợp đạt 50%, sau giảm đến 60TK động chạy 16 hồn tồn hydrogen Góc mở vòi phun Vp4 giảm từ 115TK (ứng với 100% syngas) xuống 26TK (ứng với 50% hydrogen) sau giữ ổn định giá trị đến 100% biogas tp_Syngas-Hydro_4-6_M tp_Syngas-Bio_4-6_M 140 140 120 120 Syngas-Biogas Vp3 Góc phun (TK) Góc phun (TK) 100 Vp4 80 60 100 Syngas-Hydrogen Vp3 80 Vp4 60 40 40 20 20 0 20 40 60 Biogas (%) 80 100 20 (a) 40 60 Hydrogen (%) 80 100 (b) ại Đ Hình 20: Biến thiên góc phun vịi phun Vp3 Vp4 theo hàm lượng biogas (a) theo hàm lượng hydrogen (b) hỗn hợp với syngas để đảm bảo =1 cuối kỳ nén (n=3000 v/ph, áp suất phun pp=1 bar) c họ Nhờ phối hợp thời gian mở vòi phun nằm giới hạn cực tiểu (p=26TK) cực đại (p=130TK), mặt đảm bào cho nhiên liệu hút hết vào buồng cháy mặt khác, thời gian phun cực tiểu đủ lớn để hệ thống điều khiển khống chế lượng phun xác động chạy chế độ tải thấp 4.3 Mơ q trình cháy động chạy syngas Đ 4.3.1 Tính động chạy syngas khí hóa trực tiếp chất thải rắn g ẵn N Vỏ trấu có mật độ vật chất thấp, rời rạc nên syngas nhận có lượng thấp dẫn đến đường cong áp suất nhiệt độ cháy thấp (hình 21a) Nồng độ NOx khí thải động chạy syngas thấp bỏ qua nhiệt độ cháy nhiên liệu thấp Tuy giá trị tương đối nồng độ NOx syngas từ khí hóa gỗ có cao giá trị tương ứng chất khác giá trị tuyệt đối đạt 30ppm so với hàng nghìn ppm NOx khí thải động chạy nhiên liệu truyền thống (hình 21b) Nhiên liệu syngas có chứa CH4, CO, H2 Tỉ lệ thể tích khơng khí/thể tích nhiên liệu CH4 gấp lần giá trị CO H2 Do nồng độ HC (tổng nồng độ CH4, CO H2) hỗn hợp khí cháy có =1 phụ thuộc vào thành phần syngas Nếu syngas chứa nồng độ cao CH4 nồng độ HC ban đầu thấp syngas chứa nồng độ cao H2, CO nồng độ HC ban đầu cao Hình 21c cho thấy nồng độ HC trường hợp bã mía cao nồng độ HC trường hợp biomass nói chung nhỏ CO nhiên liệu đồng thời sản phẩm cháy Hình 21d cho thấy nồng độ CO giảm tương tự nồng độ HC nghĩa tốc độ phát sinh CO trình cháy khơng kể so với tốc độ cháy CO Hình 22 so sánh tổng hợp đặc trưng q trình cháy nhiên liệu syngas nhận từ khí hóa trực tiếp loại biomass khác Trong điều kiện hệ số tương đương =1 nồng độ chất nhiễm khí thải CO, HC, NOx thấp, bỏ qua so với loại nhiên liệu truyền thống Đây ưu điểm bậc sử dụng syngas làm nhiên liệu cho động đốt 17 30 1700 24 1300 18 NOx (ppm) T (K) 2100 Wood Gỗ MSW Rác Gabass Bã mía Biomass Biomass Vỏ trấu RiceHust 900 500 Wood Gỗ Rác MSW Bã mía Gabass Biomass Biomass Vỏ trấu RiceHust 12 100 120 180 240  (TK) 300 360 120 180 (a) 300 360 (b) 20 12 Đ 16 họ 180 240  (TK) 300 360 120 180 Đ 120 c Biomass Biomass Bã mía Gabass Rác MSW Vỏ trấu RiceHust Gỗ Wood 12 ại Gabass Bã mía MSW Rác Gỗ Wood Biomass Biomass Vỏ trấu RiceHust HC (%) 10 CO (%) 240  (TK) (c) 240  (TK) 300 360 (d) 1,2 Biomass Bã mía Gabass MSW Rác g ẵn N Hình 21: So sánh biến thiên nhiệt độ (a) nồng độ chất ô nhiễm (b, c, d) theo góc quay trục khuỷu động chạy syngas khí hóa trực tiếp từ loại biomass khác (n=3000 rpm, =1, s=23TK) RiceHust Vỏ trấu Wood Gỗ 0,8 0,6 0,4 0,2 Pmax (bar) Tmax (K) : 23.42 :1925 Wi (J/ct) :140.91 Pe (kW) :2.99 CO (%V) HC (%V) NOx (ppm) :0.142 :0.208 :30 Hình 22: So sánh đặc trưng trình cháy động sử dụng syngas khí hóa trực tiếp từ loại biomass khác (n=3000 rpm, =1, s=23TK) Trong điều kiện vận hành, công thị chu trình Wi=140.91 J/cyc syngas khí hóa từ gỗ Wi giảm dần theo thứ tự syngas từ chất thải sinh hoạt, bã mía, biomass nói chung 18 vỏ trấu Công suất động chạy syngas khí hóa từ vỏ trấu giảm 14% so với cơng suất động chạy syngas từ khí hóa gỗ So với công suất động chạy xăng 4.8 kW/3600 v/ph (tương đương 4kW/3000 v/ph) cơng suất động giảm 25% chạy syngas gỗ giảm 36% với syngas vỏ trấu 4.3.2 Tính động chạy syngas khí hóa chất thải rắn thơng qua RDF Hình 23 cho thấy cơng thị chu trình syngas từ RDF vỏ trấu vỏ đậu thấp cơng thị chu trình RDF sọ dừa 2% Wi RDF rơm bã mía nhỏ Wi sọ dừa 5% 6% Phát thải CO, HC, NOx syngas từ khí hóa sọ dừa đạt giá trị cao Đặc biệt phát thải NOx syngas từ RDF sọ dừa gấp 2,5 lần NOx từ RDF vỏ trấu vỏ đậu gấp 10 lần NOx từ syngas khí hóa RDF bã mía hay rơm 1,2 Sọ dừa Coconut Bagasse Bã mía Vỏ đậu Groundnut RiceHusk Vỏ trấu WheatStraw Rơm 0,8 0,6 0,4 Đ 0,2 ại Pmax (bar) Tmax (K) :27.93 :2171 Wi (J/ct) Pe (kW) :176.84 :3.76 CO (%V) HC (%V) NOx (ppm) :0.287 :0.331 :874 họ c Hình 23: So sánh đặc trưng trình cháy động sử dụng syngas từ khí hóa RDF nguyên liệu khác (n=3000 rpm, =1, s=23TK) Đ Như dùng riêng syngas syngas từ sọ dừa cho cơng thị chu trình lớn phát thải nhiễm cao Để hài hịa cơng thị chu trình mức độ phát thải nhiễm, hịa trộn syngas từ nguồn khác Hình 24 so sánh kết tính tốn mơ đặc trưng trình cháy động chạy syngas khí hóa từ sọ dừa, rơm hỗn hợp khí hóa từ thành phần bã mía, sọ dừa, vỏ đậu, vỏ trấu rơm Chúng ta thấy động chạy hỗn hợp khí syngas áp suất cực đại gần với syngas sọ dừa nhiệt độ mức độ phát thải nhiễm gần với rơm ẵn N Hỗn hợp Mixture g Sọ dừa Coconut Wheat Rơm Straw pmax (bar) 0,8 NOx (ppm) Tmax (K) 0,6 0,4 0,2 HC (%V) Wi (J/ct) CO (%V) Pe (kW) Hình 24: So sánh đặc trưng trình cháy hỗn hợp syngas syngas từ sọ dừa, rơm (n=3000 rpm, =1, s=23TK) 19 4.4 Kết luận Kết nghiên cứu cho phép rút kết luận sau đây: Động làm việc hệ thống lượng tái tạo hybrid lượng mặt trời-sinh khối cung cấp nhiên liệu syngas-biogas-hydrogen có thành phần thay đổi phạm vi rộng nên hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cần điều chỉnh linh hoạt - So với biogas, hydrogen, syngas có tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu thấp nên giải pháp cấp nhiên liệu truyền thống kiểu chế hịa khí hay hệ thống phun nhiên liệu đường nạp sử dụng vòi phun cho xi lanh động khó cấp đủ nhiên liệu chu trình dễ gây tượng nổ ngược đường nạp - Sử dụng vòi phun có đường kính lỗ phun lớn phù hợp với syngas không phù hợp với biogas, hydrogen; sử dụng vịi phun đường kính lỗ phun nhỏ ngược lại Đối với động Honda GX200 chuyển sang sử dụng nhiên liệu linh hoạt syngas-biogas-hydrogen phối hợp sử dụng vịi phun có đường kính lỗ phun 4mm 6mm phù hợp - Góc mở vịi phun phụ thuộc vào thành phần biogas hay hydrogen có mặt hỗn hợp với syngas Khi tăng thành phần góc mở vịi phun có đường kính lỗ phun 6mm giảm cịn góc mở vịi phun có đường kính lỗ phun 4mm trì giá trị cực đại 130TK đến 70% biogas hay 50% hydrogen, sau giảm Áp suất phun hợp lý bar - Khi phun syngas, biogas, hydrogen riêng rẽ phân lớp thành phần hỗn hợp kỳ nén mạnh so với phun hỗn hợp nhiên liệu Tuy nhiên vào cuối kỳ nén khơng có khác biệt đáng kể phân bố thành phần hỗn hợp hai giải pháp phun nhiên liệu Khi đặt vòi phun sát cửa xú páp nạp khu vực giàu nhiên liệu tập trung góc buồng cháy phía đối diện tia phun - Khi phun riêng rẽ syngas hydrogen qua vịi phun tỉ lệ hydrogen/syngas dao động mạnh kỳ nạp ổn định kỳ nén Trong kỳ nén, hydrogen phân bố lệch hẳn sát thành xi lanh phía xú páp nạp Sự phân bố lệch diễn đến cuối trình nén Trong trường hợp phun riêng rẽ, nồng độ hydrogen buồng cháy dao động từ cực tiểu 19% đến cực đại 24% Trong trường hợp phun hỗn hợp, nồng độ hydrogen buồng cháy thay đổi từ 18% đến 22% - Khi khí hóa trực tiếp chất thải rắn sản xuất nông lâm nghiệp chất thải rắn sinh hoạt syngas từ gỗ cho cơng thị chu trình động GX200 cao 141 J/ct giảm dần theo thứ tự syngas từ chất thải sinh hoạt, bã mía, biomass vỏ trấu So với chạy xăng công suất động giảm 25% chạy syngas gỗ giảm 36% chạy syngas vỏ trấu - Syngas thu từ khí hóa RDF biomass có chất lượng tốt syngas thu từ khí hóa trực tiếp biomass Cơng thị chu trình động chạy syngas nhận từ khí hóa trực tiếp biomass nhỏ chạy syngas khí hóa qua RDF khoảng 18% Công suất suất động lớn chạy syngas từ RDF sọ dừa, giảm 22% so với công suất động chạy xăng Mức giảm cơng suất 26% syngas từ khí hóa RDF bã mía hay rơm - Trong tất trường hợp nhiên liệu syngas, phát thải NOx bé so với loại nhiên liệu truyền thống Nồng độ CO, HC có giá trị đáng kể sử dụng hỗn hợp cháy có hệ số tương đương >1 - Hệ số tương đương tối ưu hỗn hợp syngas-khơng khí =1.05; góc đánh lửa sớm tối ưu động làm việc syngas s=32TK ại Đ - c họ Đ g ẵn N 20 Chương CẢI TẠO ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC TRUYỀN THỐNG SANG SỬ DỤNG SYNGAS 5.1 Mơ hình vật lý thử nghiệm ECU điều khiển động nhiên liệu khí linh hoạt Mơ hình vật lý điều khiển động sử dụng nhiên liệu linh hoạt tích hợp mơ hình điều khiển vịi phun mơ hình điều khiển góc đánh lửa sớm Trên mơ hình này, bổ sung thêm hệ thống điều khiển servo motor để thay đổi vị trí bướm ga thực điều tốc (hình 25a) Bướm ga động điều khiển servo motor biến trở kép Một biến trở xác định vị trí bướm ga, biến trở cịn lại cung cấp thơng tin độ mở bướm ga để điều chỉnh thời gian phun nhiên liệu ại Đ Trong trình hoạt động, servo motor bị ảnh hưởng lớn nhiễu hệ thống đánh lửa hệ thống phun nhiên liệu gây Khi servo motor bị nhiễu, dao động ngẫu nhiên làm sai lệch cấu điều khiển bướm ga Trong trường hợp bị nhiễu mạnh, vi điều khiển bị treo làm cho động bị tắt máy Trong nghiên cứu này, servo motor điều khiển board mạch Arduino riêng Vi điều khiển cung cấp vị trí xác bướm ga để tính tốn lượng phun Hộp điều khiển cung cấp tín hiệu xung cảm biến ĐCT để xác định tốc độ động nhằm thực trình điều tốc Cảm biến Hall Động điện Mạch lọc nhiễu họ Nam châm Hộp điều khiển động c Bướm ga Đ Đĩa quay Vòi phun g ẵn Cụm đánh lửa tổ hợp N Accu Hình 25: Sơ đồ bố trí hệ thống thí nghiệm điều khiển điện tử động sử dụng nhiên liệu khí linh hoạt syngas-biogas-hydrogen (a) tín hiệu điều khiển (b) Hình 25b trình bày tín hiệu cảm biến Hall, tín hiệu đánh lửa tín hiệu vòi phun sau xử lý nhiễu triệt để Chúng ta thấy ngắt xung điện, cuộn dây điều khiển vòi phun phát sinh xung cảm ứng ngược chiều với xung điều khiển Xung phun xuất kỳ nạp xung đánh lửa xuất cuối kỳ nén, động thực tế Độ rộng xung phun thời điểm đánh lửa điều chỉnh linh hoạt theo chế độ công tác động thành phần nhiên liệu 5.2 Cải tạo động Động kéo máy phát điện Honda GX200 truyền thống cải tạo thành động phun nhiên liệu khí điều khiển điện tử Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu điều chỉnh góc đánh lửa sớm động trình bày hình 26a Hệ thống điều khiển động gồm: Cảm biến Hall để làm mốc xác định thời điểm phun thời điểm đánh lửa, đồng thời cung cấp xung tín hiệu để xác định tốc độ động cơ; vi điều khiển board mạch Arduino Mega 2560 cài đặt chương trình điều khiển vịi phun 4, servo motor hệ thống đánh lửa Giao tiếp cảm biến phận 4, 5, với vi điều khiển 21 thông qua mạch công suất chống nhiễu Mạch bảo vệ vi điều khiển, khử nhiễu phát sinh tia lửa điện đóng mở vịi phun Mạch đóng vai trị quan trọng đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định vi điều khiển không bị treo Hệ thống sử dụng cảm biến Hall, loại bỏ cảm biến khác sử dụng thông thường động ô tô, xe gắn máy ại Đ họ c Hình 26: Sơ đồ cải tạo động tĩnh đánh lửa cưỡng truyền thống thành động tĩnh phun nhiên liệu khí điều khiển điện tử (a) động sau cải tạo (b) Đ Nguyên lý hoạt động hệ thống điều khiển động sau: Khi nam châm vĩnh cửu gắn bánh đà quét qua cảm biến Hall xung điện phát sinh gửi đến vi điều khiển thông qua mạch cơng suất/chống nhiễu Xung tín hiệu đưa vào chân số vi điều khiển Chương trình cài đặt vi điều khiển xử lý tín hiệu, xác định độ rộng xung, loại bỏ tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên, tính tốc độ đồng cơ, đồng thời xác định thời điểm đánh lửa thời điểm phun nhiên liệu Vi điều khiển kết nối với biến trở: Biến trở thứ kết nối với chân Ao để điều khiển vị trí bướm ga thơng qua servo motor 5; biến trở thứ hai kết nối với chân A1 điều chỉnh thời gian mở vòi phun; biến trở thứ ba kết nối với chân A2 điều chỉnh góc đánh lửa sớm Trong q trình thử nghiệm, tốc độ động cơ, độ mở bướm ga, thời gian mở vịi phun góc đánh lửa sớm hiển thị hình LCD g ẵn N Hình 27: Tín hiệu phun nhiên liệu (a) tín hiệu đánh lửa (b) tương đối so với tín hiệu cảm biến Hall 22 Trong giai đoạn khởi động động hoạt động chưa ổn định chương trình cài đặt đánh lửa phun vòng quay động Khi động hoạt động ổn định vịi phun mở kỳ nạp xung đánh lửa xuất cuối kỳ nén (hình 27a hình 27b) 5.3 Bố trí hệ thống thí nghiệm động - Động sử dụng nhiên liệu khí linh hoạt syngas-biogas-hydrogen: cải tạo từ động xăng tĩnh truyền thống GX200 kéo máy phát điện Động điều khiển ECU nghiên cứu, thiết kế trình bày phần Nhiên liệu cung acasp qua vòi phun CNG Hệ thống đánh lửa cũ động thay hệ thống đánh lửa tích hợp điều khiển điện tử Bướm ga điều khiển servo motor - Bộ tạo tải: Bộ tạo tải gồm 10 bóng đèn dây tóc, cơng suất bóng 100W bóng đèn halogen, cơng suất bóng 500W Công suất tải cực đại kW Công suất tải điều chỉnh dimmer công suất cực đại kW Dimmer điều khiển servo-motor thông qua vi điều khiển - Bàn điều khiển: Bàn điều khiển gồm hộp điều khiển động cơ, điều khiển tải, đóng/mở nhiên liệu khí, phận hiển thị thơng số động cơ, tải điện lưu lượng ga Hình 28 ảnh chụp tồn hệ thống thí nghiệm ại Đ c họ Đ g ẵn N Hình 28: Ảnh chụp hệ thống thí nghiệm Hỗn hợp nhiên liệu pha trộn từ chất khí đơn Trong thí nghiệm chúng tơi sử dụng chất khí CH4, H2 CO2 chất khí thành phần có mặt syngas biogas Thành phần chất khí hỗn hợp điều chỉnh thơng qua áp suất riêng phần chúng Mục đích thí nghiệm xác định thời gian phun góc đánh lửa sớm tối ưu ứng với chế độ tải tốc độ động cho trước để điều chỉnh thời gian phun góc đánh lửa sớm nhận từ tính tốn mơ cài đặt vào nhớ vi điều khiển 5.4 Kết thí nghiệm với nhiên liệu mô 5.4.1 So sánh thời gian phun cho mơ thực nghiệm Hình 29a, hình 29b so sánh biến thiên thời gian phun theo độ mở bướm ga cho mô thực nghiệm động theo thứ tự chạy hỗn hợp nhiên liệu 20%H2-56%CH424%CO2, 30%H2-42%CH4-28%CO2 10%H2-72%CH4-18%CO2 Vịi phun có đường kính lỗ 23 phun 5,5mm áp suất phun giữ ổn định bar Chúng ta thấy tất trường hợp thời gian phun xác định theo thực nghiệm không khác biệt nhiều so với kết tính tốn mơ Khi bướm ga gần đóng kín thời gian phun theo thực nghiệm lớn thời gian phun theo tính tốn mơ Trên thực tế động làm việc với chế độ tải thấp, hỗn hợp cần đậm để đảm bảo ổn định q trình cháy cịn theo tính tốn mơ =1 hỗn hợp tối ưu chế độ công tác 5000 4000 tp_điều chỉnh 4000 tp_mô tp_điều chỉnh tp_mô 2400 (ms) (ms) 3200 3000 1600 2000 800 1000 0 10 20 a () 30 40 50 10 20 a () 30 40 50 Đ ại Hình 29: Điều chỉnh thời gian phun (n=3600 v/ph, dp=5,5mm, pp=1bar với nhiên liệu nhiên liệu 20%H2-56%CH4-24%CO2,(a) với nhiên liệu 30%H2-42%CH4-28%CO2, (b) họ 5.4.2 So sánh góc đánh lửa sớm cho mơ thực nghiệm c Như trình bày phần cải tạo động cơ, cảm biến Hall đánh lửa lắp thân động cho nam châm bánh đà quay qua cảm biến trước qua ĐCT Góc quay trục khuỷu kể từ lúc kết xung cảm biến Hall đến mép cuối nam châm qua ĐCT φo độ Trong trường hợp thí nghiệm này, chọn φo = 35 độ Nếu tốc độ động n v/ph thời gian tương ứng độ góc quay trục khuỷu 106/(6n) (ms/độ) Nếu tia lửa điện bắt đầu sau kết thúc xung Hall thời gian tdl góc đánh lửa sớm φs = φo – 6.10-6.n.tdl Đ g ẵn N Hình 30a giới thiệu sơ đồ điều chỉnh góc đánh lửa sớm Mốc thời gian để xác định góc đánh lửa sớm kết thúc xung cảm biến Hall Chương trình cài đặt vào vi điều khiển điều khiển hệ thống đánh lửa phát tia lửa điện thời điểm tdl sau kết thúc xung cảm biến Hall Trong q trình thí nghiệm, chế độ công tác động điều chỉnh thời gian đánh lửa tdl biến trở để xác định góc đánh lửa tốt tương ứng với công suất động đạt giá trị cao CH4 in Biogas (mol/mol) 0.94 0.86 0.78 0.7 0.62 35 Cảm biến Hall a () ĐCT 30 tdl js_a0 js_a10 10 s (CA) Xung đánh lửa Xung cảm biến Hall js_a20 20 25 30 js_a30 40 js_a40 Simulation 20 15 ts to 10 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1.05 1.1 1.15 H2/CH4 (mol/mol) Hình 30: Sơ đồ điều chỉnh góc đánh lửa sớm (a) Biến thiên góc đánh lửa sớm tối ưu s theo tỉ số H2/CH4 (b) 24 Động tĩnh làm việc thường xuyên chế độ tốc độ định mức nên cố định tốc độ động khảo sát biến thiên góc đánh lửa sớm theo thành phần nhiên liệu Khi động chạy nhiên liệu biogas-hydrogen thành phần hydrogen ảnh hưởng lớn đến tốc độ cháy, ảnh hưởng đến góc đánh lửa sớm tối ưu Hình 30b giới thiệu biến thiên góc đánh lửa sớm tối ưu theo tỉ số H2/CH4 ứng với vị trí bướm ga khác động chạy tốc độ 3600 vòng/phút Chúng ta thấy thành phần nhiên liệu, đóng nhỏ bướm ga góc đánh lửa sớm tối ưu có xu hướng giảm Điều có nghĩa tốc độ cháy tăng áp suất giảm Tuy nhiên thay đổi góc đánh lửa sớm tối ưu theo độ mở bướm ga ứng với loại nhiên liệu cho trước không lớn Trong tất trường hợp, tăng tỉ lệ H2/CH4 góc đánh lửa sớm tối ưu giảm Góc đánh lửa sớm tối ưu thực nghiệm trung bình giảm từ 31 xuống 17 H2/CH4 tăng từ 0.7 lên 1.15 Kết thực nghiệm cho đường cong s theo H2/CH4 có độ dốc nhỏ đường cong lý thuyết Điều có nghĩa tốc độ giảm góc đánh lửa sớm tối ưu theo tỉ số H2/CH4 thực tế nhỏ tốc độ giảm theo mơ Sự khác biệt góc đánh lửa sớm tối ưu mơ thực nghiệm giải thích khác biệt tốc độ cháy thực nghiệm nhỏ tốc độ cháy lý thuyết Hỗn hợp nhiên liệu thực tế không đồng hồn tồn, cường chảy rối dịng khí cuối q trình nén khơng lớn tính tốn mơ dẫn đến tốc độ cháy thực nghiệm nhỏ lý thuyết 5.5 Thí nghiệm động chạy syngas ại Đ Điều chỉnh áp suất phun nhiên liệu Động thí nghiệm c họ Đ Hộp điều khiển phun nhiên liệu ẵn N Tải g Hình 31: Hệ thống thí nghiệm động syngas (a) hệ thống điều khiển động (b) Hình 31a ảnh chụp tổng thể hệ thống thí nghiệm động syngas thực tế Hệ thống gồm lị khí hóa kiểu hút lên, lọc syngas, túi chứa syngas, máy nén syngas điều chỉnh áp suất theo yêu cầu hệ thống phun, động syngas cải tạo từ động Honda GX200 hệ thống tạo tải điện Bộ điều khiển động ECU linh hoạt thử nghiệm mơ hình vật lý động thực phịng thí nghiệm trình bày phần (hình 31b) Q trình thí nghiệm thực vị trí bướm ga mở hồn tồn để so sánh kết công suất cực đại động chạy syngas so với chạy xăng Thiết bị gây tải hệ thống bóng đèn halogen có thiết bị điều chỉnh cơng suất Trong q trình thí nghiệm, cơng suất hệ thống bóng đèn điều chỉnh đồng thời với thời gian phun syngas cung cấp để động chạy ổn định Khi động ổn định, xác định giá trị U I hệ thống gây tải Kết cho thấy, điều kiện đầy tải, giá trị U=160,4 I=8,82 Do cơng suất điện: P= 160,4.8,82 = 1414,73 W 25 Công suất điện cực đại máy phát điện chạy xăng kW Như chuyển sang chạy syngas, công suất động giảm khoảng 30% so với chạy xăng Kết phù hợp với cơng trình cơng bố tài liệu tham khảo 5.6 Kết luận Kết nghiên cứu cho phép rút kết luận sau: Động chạy syngas nói riêng chạy hỗn hợp nhiên liệu tái tạo syngasbiogas-hydrogen nói chung cần có hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu góc đánh lửa sớm linh hoạt thành phần nhiên liệu thay đổi phạm vi rộng Bộ chế hịa khí hệ thống đánh lửa magneto truyền thống không đáp ứng yêu cầu động sử dụng nhiên liệu khí linh hoạt - Có thể cải tạo động tĩnh đánh lửa cưỡng truyền thống thành động sử dụng nhiên liệu khí tái tạo cách linh hoạt nhờ hệ thống điều khiển động gồm cảm biến xác định mốc thời điểm đánh lửa, cấu điều khiển bướm ga, vịi phun, cụm đánh lửa tích hợp ECU đơn giản Để đảm bảo cho vi điều khiển hoạt động ổn định tin cậy, tất kết nối phận chấp hành ECU động phải qua chống nhiễu - Đối với động Honda GX200 chuyển sang chạy syngas sử dụng vịi phun CNG mở rộng lỗ phun lên đường kính 5,5mm Áp suất phun điều chỉnh lên bar Khi chạy syngas giàu hay hỗn hợp syngas-biogas-hydrogen, áp suất phun giảm xuống bar thời gian phun điều chỉnh theo thành phần nhiên liệu - Hệ thống đánh lửa nguyên thủy động thay cụm đánh lửa tích hợp tơ bao gồm bơ bine, mạch kích hoạt đường dây cao áp Nam châm vĩnh cửu bánh đà sử dụng lại để tạo xung đánh lửa thông qua cảm biện Hall - Hê thống điều tốc thực thông qua servo motor kết nối với càn điều khiển bướm ga Chương trình điều tốc cài đặt vi điều khiển tự động điều chỉnh độ mở bướm ga đồng thời với điều chỉnh thời gian phun để đảm bảo thành phần hỗn hợp tối ưu chế độ tải - Khi chuyển sang chạy syngas cơng suất động GX200 giảm 30% so với chạy xăng syngas nghèo Kết phù hợp với cơng trình công bố tài liệu tham khảo ại Đ - c họ Đ g ẵn N 26 KẾT LUẬN Tổng hợp kết đạt đề tài cho phép rút kết luận sau: Thu hồi lượng từ chất thải rắn thông qua sản xuất viên nén nhiên liệu RDF giải pháp công nghệ xử lý triệt để chất thải rắn, giảm tối đa chất thải cần phải chôn lấp hạn chế phát thải chất khí gây nhiễm Phương án sử dụng lượng thu hồi từ chất thải rắn cấu phần hệ thống lượng tái tạo hybrid (HRES) khắc phục nhược điểm không liên tục nguồn lượng tái tạo Chế biến chất thải rắn thành RDF khí hóa chúng thành syngas để sử dụng chung với hỗn hợp biogas, hydrogen tái tạo giải pháp hiệu để nâng cao hiệu sử dụng lượng tái tạo - Thành phần rác thải nước ta phần lớn chứa chất hữu nên việc chế biến rác thải thành viên nén nhiên liệu RDF có nhiều lợi so với phương pháp xử lý rác khác nhiệt trị RDF cao, sử dụng linh hoạt nhiên liệu RDF để sử dụng cho mục đích khác Phụ thuộc vào vật liệu chế tạo viên nén, nhiệt độ khuôn ép tối ưu thay đổi từ 375K đến 475K; độ ẩm nguyên liệu để ép viên nén khoảng 20% phù hợp - Đối với nguyên liệu đầu vào chứa 60% biomass, 20% giấy, 10% nhựa áp suất ép khoảng 100 bar nhiệt độ khn ép trì 375K cho viên nén có độ bền học tốt, độ xốp cao, dễ bén lửa Khi thành phần nhựa nguyên liệu đầu vào tăng lên 20% nhiệt độ khn ép tăng lên 475K áp suất ép 130 bar cho viên nén RDF có bề mặt nhẵn, vật liệu bền chặt, mật độ lượng cao Đối với chất thải rắn từ sản xuất nông thôn không chứa thành phần nhựa nguyên liệu cần nghiền nhỏ, độ ẩm trì 20%, nhiệt độ khn khoảng 400-420K áp suất ép khoảng 140 bar để đảm bảo viên nén nhiên liệu có độ bền chặt, chịu tác động học - Khi khí hóa sọ dừa, giảm hệ số khơng khí dư ER hàm lượng CH4 syngas tăng hàm lượng H2 giảm Nhiệt trị nhiên liệu tăng nhanh giảm ER từ 0,9 đến 0,4 Nếu tiếp tục giảm ER nhiệt trị syngas thay đổi không đáng kể giảm H2 tăng CO2 Vì để đảm bảo hiệu khí hóa sọ dừa ER nằm khoảng 0,3 đến 0,4 - Nhiệt độ khu vực hồn ngun tối ưu khí hóa sinh khối nói chung nằm khoảng từ 900K-1000K Khi nhiệt độ vùng hồn ngun nhỏ 900K nhiệt trị syngas giảm nhanh Khi nhiệt độ khu vực hồn ngun tăng hàm lượng CO tăng hàm lượng CH4 giảm, nhiệt trị syngas tăng nhẹ nhiệt độ khu vực hồn ngun lớn 1000K - Khi khí hóa hỗn hợp RDF 90% gỗ+10% trấu thành phần hỗn hợp tối ưu khoảng 0,4 Khi tỉ lệ RDF trấu hỗn hợp tăng thành phần CH4 syngas giảm nhanh theo f dẫn đến tụt giảm mạnh nhiệt trị nhiên liệu RDF trấu cho thành phần CO H2 cao gỗ thành phần CH4 syngas RDF gỗ cao syngas RDF trấu Nhiệt trị syngas từ khí hóa trấu nhỏ nhiệt trị syngas từ khí hóa gỗ (6,82 MJ/kg so với 7,21 MJ/kg) - Syngas có nhiệt trị thấp, tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu thấp; thành phần chất khí syngas thay đổi phạm vi rộng phụ thuộc vào biomass sử dụng chung với biogas, hydrogen Vì động sử dung syngas hay syngas-biogas-hydrogen cần có hệ thống điều khiển trình cung cấp nhiên liệu, trình đánh lửa cách linh hoạt để đảm bảo hiệu suất cao phát thải ô nhiễm thấp Các giải pháp cấp nhiên liệu truyền thống kiểu chế hịa khí đánh lửa cố định kiểu magneto không phù hợp với động syngas nói riêng động syngas-biogas-hydrogen nói chung - Sử dụng vịi phun có đường kính lỗ phun lớn phù hợp với syngas khơng phù hợp với biogas, hydrogen; sử dụng vịi phun đường kính lỗ phun nhỏ ngược lại Đối với động Honda GX200 chuyển sang sử dụng nhiên liệu linh hoạt syngas-biogas- ại Đ - c họ Đ g ẵn N 27 hydrogen phối hợp sử dụng vịi phun có đường kính lỗ phun 4mm 6mm phù hợp Góc mở vịi phun phụ thuộc vào thành phần biogas hay hydrogen có mặt hỗn hợp với syngas Khi tăng thành phần góc mở vịi phun có đường kính lỗ phun 6mm giảm cịn góc mở vịi phun có đường kính lỗ phun 4mm trì giá trị cực đại 130TK đến 70% biogas hay 50% hydrogen, sau giảm Áp suất phun hợp lý bar Khi khí hóa trực tiếp chất thải rắn sản xuất nông lâm nghiệp chất thải rắn sinh hoạt syngas từ gỗ cho cơng thị chu trình động GX200 cao 141 J/ct giảm dần theo thứ tự syngas từ chất thải sinh hoạt, bã mía, biomass vỏ trấu So với chạy xăng công suất động giảm 25% chạy syngas gỗ giảm 36% chạy syngas vỏ trấu - Syngas thu từ khí hóa RDF biomass có chất lượng tốt syngas thu từ khí hóa trực tiếp biomass Cơng thị chu trình động chạy syngas nhận từ khí hóa trực tiếp biomass nhỏ chạy syngas khí hóa qua RDF khoảng 18% Cơng suất suất động lớn chạy syngas từ RDF sọ dừa, giảm 22% so với công suất động chạy xăng Mức giảm công suất 26% syngas từ khí hóa RDF bã mía hay rơm - Trong tất trường hợp nhiên liệu syngas, phát thải NOx bé so với loại nhiên liệu truyền thống Nồng độ CO, HC có giá trị đáng kể sử dụng hỗn hợp cháy có hệ số tương đương >1 Hệ số tương đương tối ưu hỗn hợp syngas-khơng khí =1.05; góc đánh lửa sớm tối ưu động làm việc syngas s=32TK - Có thể cải tạo động tĩnh đánh lửa cưỡng truyền thống thành động sử dụng nhiên liệu khí tái tạo cách linh hoạt nhờ hệ thống điều khiển động gồm cảm biến xác định mốc thời điểm đánh lửa, cấu điều khiển bướm ga, vòi phun, cụm đánh lửa tích hợp ECU đơn giản Để đảm bảo cho vi điều khiển hoạt động ổn định tin cậy, tất kết nối phận chấp hành ECU động phải qua chống nhiễu - Hệ thống đánh lửa nguyên thủy động thay cụm đánh lửa tích hợp tơ bao gồm bơ bine, mạch kích hoạt đường dây cao áp Nam châm vĩnh cửu bánh đà sử dụng lại để tạo xung đánh lửa thông qua cảm biện Hall Hê thống điều tốc thực thông qua servo motor kết nối với càn điều khiển bướm ga Chương trình điều tốc cài đặt vi điều khiển tự động điều chỉnh độ mở bướm ga đồng thời với điều chỉnh thời gian phun để đảm bảo thành phần hỗn hợp tối ưu chế độ tải ại Đ - c họ Đ g ẵn N Hướng phát triển Đề tài nghiên cứu tiếp tục phát triển theo hướng sau: - Ứng dụng ECU nghiên cứu để điều khiển động sử dụng nhiên liệu khí tái tạo linh hoạt - Thiết lập hệ thống tự động điều khiển hệ thống lượng tái tạo hybrid biomass-năng lượng mặt trời - Nghiên cứu ứng dụng syngas động dual fuel - Mơ thực nghiệm q trình khí hóa RDF lị kiểu hút xuống - Nghiên cứu hệ thống điều khiển điện tử động dual fuel sử dụng nhiên liệu khí linh hoạt 28