Chuyển đổi động cơ diesel d4 cd170 thành động cơ lưỡng nhiên liệu dual fuel syngas diesel

Công nghệ này xử lý rác bằng cách vùi rác vào một lớp cát, sau đó sử dụng lưulượng không khí trong quá trình nung lò, cùng một số hóa chất khác để tiêu hủy rác.Rác bên trong lò sẽ đ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ DIESEL D4-CD170

THÀNH ĐỘNG CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU DUAL

FUEL SYNGAS-DIESEL

Mã số: T2022-06-19

Chủ nhiệm đề tài: ThS Đỗ Phú Ngưu

Đà Nẵng, tháng 11 năm 2023

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ DIESEL D4-CD170 THÀNH ĐỘNG CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU DUAL

FUEL SYNGAS-DIESEL

Mã số: T2022-06-19

Xác nhận của cơ quan chủ trì đề tài Chủ nhiệm đề tài

KT HIỆU TRƯỞNG

PHÓ HIỆU TRƯỞNG

PGS TS VÕ TRUNG HÙNG ThS ĐỖ PHÚ NGƯU

DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA

Đơn vị công tác và lĩnh vực chuyên môn

Nội dung nghiên cứu cụthể được giao

1 Nguyễn Minh Tiến Trường Đại học Sư phạm

Kỹ thuật – Kỹ thuật cháy,Động cơ nhiệt, Cơ học chấtlỏng, Năng lượng tái tạo,nhiên liệu thay thế

Thành viên

MỤC LỤC

DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA i

MỤC LỤC ii

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ v

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT viii

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ix

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS xii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4

1.1 Vấn đề khủng hoảng năng lượng toàn cầu 4

1.2 Tiềm năng năng lượng tái tạo ở Việt Nam 5

1.2.1 Ưu thế địa lý Việt Nam về năng lượng tái tạo 5

1.2.2 Năng lượng sinh khối 5

1.3 Vấn đề xử lý rác thải sinh hoạt 6

1.3.1 Trên thế giới 6

1.3.2 Tại Việt Nam 8

1.5 Khí hóa nhiên liệu rắn 10

1.5.1 Khí hóa nhiên liệu rắn biomass 10

1.5.2 Phương pháp khí hóa biến rác thải sinh hoạt thành syngas 11

1.6 Ứng dụng syngas trên động cơ đốt trong 12

1.7 Tính cấp thiết đề tài 13

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH CUNG CẤP NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ DUAL FUEL SYNGAS-DIESEL 15

2.1 Giới thiệu về nhiên liệu syngas 15

2.1.1 Giới thiệu chung 15

2.1.2 Đặc điểm và tính chất Syngas 16

2.2 Tính toán quá trình cung cấp nhiên liệu cho động cơ dual fuel syngas-diesel 20

2.2.1 Nghiên cứu mô phỏng 20

2.2.2 Kết quả và bình luận 21

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 30

3.1 Động cơ Diesel D4 CD170: 30

3.1.1 Giới thiệu chung: 30

3.1.2 Thông số của động cơ Diesel D4 CD170: 30

3.1.3 Hệ thống nhiên liệu động cơ CD 170: 31

3.2 Đặc tính động cơ dual fuel diesel-syngas 31

3.2.1 Đặc điểm 31

3.2.2 Quá trình cháy 32

3.2.3 Ảnh hưởng của syngas đến phát thải động cơ diesel 34

3.3 Thiết bị sử dụng thực nghiệm 35

3.3.1 Sơ đồ hệ thống thực nghiệm 35

3.3.2 Động cơ thực nghiệm 36

3.3.3 Nhiên liệu thực nghiệm 37

3.3.4 Thiết bị phân tích khí thải 37

3.3.5 Đồng hồ vạn năng Hioki 3280-10F 38

3.3.6 Máy đo tốc độ 39

3.3.7 Hệ thống tải điện 39

3.4 Thiết kế và cải tạo động cơ 41

3.4.1 Cải tiến đường nạp 41

3.4.2 Cải tiến đường xả động cơ 42

3.4.3 Thiết kế bộ tiếp điểm nhận tín hiệu đóng mở van điện từ 42

3.5 Quá trình thực nghiệm 44

3.5.1 Quy trình hình thành hỗn hợp khí syngas 44

3.5.2 Chế độ thực nghiệm 45

3.5.3 Tiến hành thực nghiệm 46

CHƯƠNG 4 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BẰNG SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM 48

4.1 Đánh giá mức tiêu thụ nhiên liệu động cơ của động cơ 48

4.2 Đánh giá ảnh hưởng của thành phần khí syngas đến công suất động cơ 51

4.3 Đánh giá ảnh hưởng của thành phần syngas đến phát thải động cơ 53

4.3.1 Khí CO2 53

4.3.2 Khí NOx 54

4.3.3 Khí CO 55

KẾT LUẬN 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

THUYẾT MINH ĐỀ TÀI 66

HỢP ĐỒNG TRIỂN KHAI THỰC HIỆN 76

PHỤ LỤC HỢP ĐỒNG 79

DANH MỤC MINH CHỨNG SẢN PHẨM CỦA ĐỀ TÀI 81

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

Hình 1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm động cơ ix

Hình 2 Động cơ D4 CD170 lưỡng nhiên liệu dual fuel syngas x

Hình 1.1 Năng lượng tái tạo tại Việt Nam 5

Hình 1.2 Quy trình xử lý rác thải sinh hoạt 6

Hình 1.3 Phương pháp chôn lấp rác thải 9

Hình 1.4 Các phản ưng có bản trong lò khí hoá 11

Hình 2.1 Chia lưới không gian tính toán và vị trí các vòi phun 21

Hình 2.2 Biến thiên tốc độ bốc hơi của nhiên liệu diesel 21

Hình 2.3 Đường đồng mức phân bố nhiên liệu 22

Hình 2.4 Diễn biến quá trình cháy và phát thải 23

Hình 2.5 Biến thiên hỗn hợp khí trước và sau khi phun diesel 24

Hình 2.6 Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu và kết thúc phun đến biến thiên áp suất 25 Hình 2.7 Ảnh hưởng của thành phần biogas trong hỗn hợp 26

Hình 2.8 Ảnh hưởng của thành phần biogas 28

Hình 2.9 Ảnh hưởng của hệ số tương đương 29

Hình 3.1 Động cơ D4 CD170 30

Hình 3.2 Động cơ dual fuel syngas-diesel 32

Hình 3.3 Giai đoạn 1 quá trình cháy của động cơ dual fuel 33

Hình 3.4 Giai đoạn 2 quá trình cháy của động cơ dual fuel 33

Hình 3.5 Giai đoạn 3 quá trình cháy của động cơ dual fuel 33

Hình 3.6 Sơ đồ hệ thống thực nghiệm 35

Hình 3.7 Hình ảnh thực tế bố trí sơ đồ thực nghiệm 36

Hình 3.8 Máy phát điện 36

Hình 3.9 Thiết bị phân tích khí thải 37

Hình 3.10 Đồng hồ vạn năng Hioki 3280-10F 38

Hình 3.11 Máy đo tốc độ 39

Hình 3.12 Hệ thống tải điện 40

Hình 3.13 Van điện từ 40

Hình 3.14 Lưu lượng khí 40

Hình 3.15 Đồng hồ giảm áp 41

Hình 3.16 Đường nạp động cơ CD170 41

Hình 3.17 Thiết kế cái tiến đường nạp 42

Hình 3.18 Cải tiến đường xả 42

Hình 3.19 Cấu tạo bộ tiếp điểm đóng mở van điện từ 43

Hình 3.20 Cam phụ của bộ tiếp điểm 43

Hình 3.21 Sơ đồ mạch điện đóng ngắt van điện từ 44

Hình 3.22 Kết cấu buồng hòa trộn khí syngas thành phần 44

Hình 3.23 Bảng chia phần trăm ga 47

Hình 4.1 Ống nghiệm đo mức tiêu thụ nhiên liệu diesel 48

Hình 4.2 So sánh hệ số dư lượng không khí khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-syngas ……….……….50

Hình 4.3 Biểu đồ đánh giá công suất 52

Hình 4.4 Đồ thị thể hiện sự thay đổi hàm lượng CO2 53

Hình 4.5 Biểu đồ đánh giá mức độ phát thải khí NOx 54

Hình 4.6 Đồ thị đánh giá mức độ phát thải khí CO 56

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

Bảng 2.1 Tính chất lý hóa của các thành phần chính của syngas……… 18

Bảng 2.2 So sánh giá trị kinh tế trên đơn vị nhiệt trị giữa sử dụng nhiên liệu truyền thống và nhiên liệu syngas ở Việt Nam ………18

Bảng 2.3 Các thông số đặc trưng của nhiên liệu………… 27

Bảng 2.4 Thời điểm bắt đầu phun của 2 vòi phun 27

Bảng 3.1 Bảng thông số động cơ D4 CD170 30

Bảng 3.2 Tỉ lệ thành phần khí syngas

37 Bảng 3.3 Thông số thiết bị phân tích khí thải

37 Bảng 3.4 Thông số máy đo tốc độ 39

Bảng 3.5 Áp suất và thể tích nạp của từng thành phần khí 45

Bảng 4.1 Bảng tiêu thụ nhiên liệu nhiên liệu ứng với từng chế độ vòng quay 48

Bảng 4.2 Giá trị tiêu thụ nhiên liệu của động cơ trong 1 phút……… 49

Bảng 4.3 Bảng số liệu hệ số dư lượng không khí của động cơ……… 50

Bảng 4.4 Bảng đánh giá công suất……… 51

Bảng 4.5 Ảnh hưởng của lưu lượng syngas đến các thành phần phát thải CO2 53

Bảng 4.6 Ảnh hưởng của lưu lượng syngas đến các thành phần phát thải NOx 54

Bảng 4.7 Ảnh hưởng của lưu lượng syngas đến các thành phần phát thải CO 55

ANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

ASTM American Society for Testing

diesel)A/F Air/Fuel Hệ số khối lượng không khí chia cho

khối lượng nhiên liệuBSFC Brake-Specific Fuel

Consumption

Suất tiêu hao nhiên liệu

AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Chuyển đổi động cơ Diesel D4-CD170 thành động cơ lưỡng nhiên

liệu Dual Fuel Syngas-Diesel

- Mã số: T2022-06-19

- Chủ nhiệm: ThS Đỗ Phú Ngưu

- Thành viên tham gia: TS Nguyễn Minh Tiến

- Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng

- Thời gian thực hiện: Từ tháng 03 năm 2023 đến tháng 11 năm 2023

2 Mục tiêu:

- Nghiên cứu hệ thống nạp cho động cơ diesel dùng đa nhiên liệu dual fuel

syngas-diesel

- Cải tạo động cơ D4 CD170 sử dụng nhiên liệu diesel thành động cơ lưỡng

nhiên liệu dual fuel syngas-diesel.

3 Tính mới và sáng tạo:

Sử dụng phần mềm ANSYS FLUENT mô phỏng hệ thống nạp cho động cơdiesel dùng đa nhiên liệu dual fuel syngas-diesel Cải tạo động cơ diesel D4 CD170dùng nhiên liệu diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu sử dụng nhiên liệu syngas-diesel

4 Tóm tắt kết quả nghiên cứu:

Tiếp cận các phần mềm mô phỏng được sử dụng phổ biến trong ngành côngnghiệp sản xuất ô tô

Cải tạo được động cơ D4 CD170 thành động cơ lưỡng nhiên liệu syngas-dieselchạy máy phát điện

5 Tên sản phẩm:

+ 01 bài báo đăng trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ Đại học Đà Nẵng Bùi

Văn Ga, Nguyễn Minh Tiến, Đỗ Phú Ngưu, Hồ Trần Ngọc Anh “Đặc tính quá trình

cháy động cơ Dual Fuel phun trực tiếp hỗn hơn Syngas-Biogas” Chủ nhiệm đề tài là tác giả liên hệ Ngày nhận bài 11/7/2023, Chấp nhận đăng: 14/8/2023) (có phụ lục kèm theo).

+ 01 động cơ diesel D4 CD170 sử dụng lưỡng nhiên liệu dual fuel syngas-diesel

(có phụ lục kèm theo).

+ 06 sinh viên hướng dẫn cùng nội dung nghiên cứu đã tốt nghiệp ngành Côngnghệ kỹ thuật ô tô, Trường Đại học SPKT - ĐHĐN (Ngày bảo vệ tốt nghiệp tháng

22/6/2023) (có phụ lục kèm theo)

Số

1 LÊ TẤN ĐỒNG 1911504210109 CÔNG NGHỆ

KỸ THUẬT Ô

TÔ

2 NGUYỄN VĂN HÀO 1911504210112

3 NGUYỄN HOÀNG LÂM 1911504210123

7 Hình ảnh, sơ đồ minh họa chính

Hình 1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm động cơ D4 CD170 lưỡng nhiên liệu dual fuel syngas-diesel

Hình 2 Động cơ D4 CD170 lưỡng nhiên liệu dual fuel syngas-diesel sau khi chuyển đổi

Ngày tháng năm 2023

Hội đồng Khoa

(ký, họ và tên) Chủ nhiệm đề tài(ký, họ và tên)

XÁC NHẬN CỦA TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KT HIỆU TRƯỞNG

PHÓ HIỆU TRƯỞNG

PGS TS VÕ TRUNG HÙNG

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1 General information:

Project title: Convert the Diesel engine D4-CD170 into a Dual Fuel Diesel engine

Syngas-Code number: T2022-06-19

Coordinator: MS Do Phu Nguu

Participating member: Dr Nguyen Minh Tien

Leading agency: University of Technology and Education - The University of Danang

Duration: from 3/2023 to 11/2023

2 Objective(s):

- Researching the Dual Fuel Syngas-Diesel Engine Charging System

- Retrofitting the D4 CD170 Engine from Diesel to Dual Fuel Syngas-Diesel

3 Creativeness and innovativeness:

Utilizing ANSYS FLUENT software to simulate the intake system for a dual fuelsyngas-diesel engine Retrofitting the D4 CD170 diesel engine, originally designed fordiesel fuel, into a dual fuel engine that uses syngas-diesel fuel

+ 01 D4 CD170 diesel engine using syngas-diesel dual fuel.

+ 06 students with the same research content have graduated in AutomotiveEngineering, University of Science and Technology - University of Da Nang(Graduation defense date: June 22, 2023):

1 LE TAN DONG

191150421010

9

Automotive Engineering, University of Science and Technology - University of Da Nang

191150421013

0

5 NGUYEN TRAN QUANG TINH 1911504210145

191150421014

8

6 Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability:

Research products will be transferred to the Automotive Mechanic workshop,Department of Automotive Mechanics, Faculty of Mechanical Engineering, University

of Technical Education, University of Danang

MỞ ĐẦU

Tác động của hiện tượng ấm lên toàn cầu đến sớm hơn so với dự báo của các nhàkhoa học Tháng 07 năm 2023, các trung tâm khí tượng và thủy văn đã thu thập đượcmức nhiệt độ cao kỷ lục Kết quả gây ra các hệ lụy nghiêm trọng đến môi trường vàsức khỏe con người Nhiều hội nghị thượng đỉnh thế giới đã kêu gọi các quốc giachung tay cắt giảm khí thải gây hiệu ứng nhà kính để duy trì mức tăng nhiệt độ bầu khíquyển thấp hơn 20C so với thời kỳ tiền công nghiệp, thực hiện mục tiêu phát thải ròngbằng 0 đến năm 2050 Ngược lại, con người sẽ mất khả năng kiểm soát các hiện tượngbiến đổi khí hậu

Để đạt được mục tiêu trên thì việc chuyển đổi cơ cấu các ngành năng lượng hóathạch sang năng lượng tái tạo là nhiệm vụ trọng tâm Chúng ta biết rằng, hầu hết các

xe tải lớn nhỏ đều sử dụng động cơ diesel để cung cấp năng lượng cho xe Các động

cơ này không thể thay thế hoàn toàn bằng động cơ điện trong thời gian ngắn Bên cạnh

đó, rất nhiều động cơ diesel kéo máy phát điện cỡ nhỏ dùng cho hộ gia đình, dùngtrong nông nghiệp, lâm nghiệp và các máy móc di động nhỏ Cơ quan năng lượng thếgiới đã báo cáo rằng động cơ đốt trong vẫn chiếm vai trò chủ đạo trong các ngành giaothông vận tải và năng lượng điện Như vậy lượng nhiên liệu hóa thạch sử dụng và mứcphát thải vẫn còn rất cao trong khoảng thời gian dài, ảnh hưởng đến môi trường, biếnđổi khí hậu và sức khỏe con người Điều này làm ảnh hưởng lớn đến chiến lược Netzero và các kế hoạch chuyển đổi năng lượng Do đó, nghiên cứu chuyển đổi động cơdùng nhiên liệu Diesel sang các loại nhiên liệu tái tạo, nhiên liệu không cacbon hoặccacbon thấp là rất cần thiết

Trong nhiều thập kỷ, năng lượng mặt trời, năng lượng sóng, năng lượng gió vàđặc biệt là năng lượng sinh học, rác thải thực vật, chất thải sinh hoạt và công nghiệpluôn là đề tài nghiên cứu, khai thác và đã đáp ứng một phần yêu cầu năng lượng Mộttrong những nhược điểm của năng lượng tái tạo là nguồn phát không ổn định, phụthuộc vào điều kiện thời tiết, mùa vụ Do đó hệ thống năng lượng tái tạo luôn đi kèmhệ thống lưu trữ rất tốn kém, tăng giá thành đầu tư Việt Nam có điều kiện khí hậu đểphát triển nhiều loại cây trồng làm nguyên liệu nhiên liệu sinh học, nhiên liệu tái tạo.Sinh khối là chất thải nông nghiệp (rơm rạ, bã mía, trấu, xơ ngô), chất thải lâm nghiệp(lá khô, dăm gỗ), giấy vụn, khí CH4 từ các bãi chôn lấp, nhà máy xử lý nước thải, v.v

và chất thải từ các trang trại chăn nuôi gia súc, gia cầm Nguyên liệu sinh khối có thểđược sử dụng ở dạng rắn, lỏng hoặc khí Trong số đó, gỗ là loại sinh khối phổ biến, gỗvẫn là chất đốt chính để đun nấu trong gia đình Việc chế tạo thành những viên nén

RDF một mặt tăng hiệu quả chuyển hóa năng lượng, mặt khác chúng có thể dễ dànglưu trữ để phối hợp với các nguồn năng lượng tái tạo khác trong hệ thống năng lượngtái tạo hybrid Bên cạnh đó, xu hướng chuyển nhiên liệu rắn sang nhiên liệu khí vàđược tích trữ vào bình chứa để vận chuyển dễ dàng hơn, đáp ứng nguồn năng lượngcho các máy phát điện cỡ nhở ở nông thôn sử dụng nhiều nguồn năng lượng kết hợphiệu quả

Syngas thu được từ quá trình khí hóa RDF gồm các thành phần CO, H2, CH4,

CO2, N2, hơi H2O là nhiên liệu tiềm năng để phát điện Chất lượng syngas phụ thuộcvào nguồn gốc nguyên liệu và quá trình khí hóa Nhiệt trị của syngas khoảng thấp, chỉbằng 10% nhiệt trị của khí thiên nhiên, LPG hay xăng dầu Tuy nhiên do tỷ lệ khôngkhí/nhiên liệu (A/F) của syngas trong hỗn hợp cháy hoàn toàn lý thuyết chỉ bằng 1,2nhỏ hơn rất nhiều so với A/F=14,9 đối với xăng hoặc A/F=14,5 đối với diesel nên sựtụt giảm công suất động cơ không tỷ lệ với nhiệt trị nhiên liệu mà liên quan đến sự suygiảm hệ số nạp do trọng lượng riêng thấp Vì vậy, để có thể ứng dụng nhiên liệu khísyngas vào thực tế cần có nghiên cứu giải pháp cải thiện tính năng của động cơ chạybằng syngas Việc làm giàu chúng bằng nhiên liệu có nhiệt trị cao hơn như hydrogen,biogas, CH4, CNG bổ sung vào nhiên liệu syngas dùng cho động cơ đốt trong có thểđược xem là giải pháp

Đề tài “Chuyển đổi động cơ Diesel D4-CD170 thành động cơ lưỡng nhiên

liệu Dual Fuel Syngas-Diesel, Mã số: T2022-06-19”, dùng kéo máy phát điện cỡ nhỏ.

Chúng tôi nghiên cứu quá trình nạp nhiên liệu syngas cho động cơ dual fuel diesel được làm giàu bởi biogas Bước đầu cải tạo động cơ sử dụng nhiên liệu thuầndiesel thành động cơ dual fuel syngas-diesel kết hợp với một số nhiên liệu khác Đồngthời đánh giá ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu syngas đến quá trình cháy của động

syngas-cơ Góp phần nghiên cứu giải pháp cải thiện tính năng động cơ chạy bằng nhiên liệusyngas kéo máy phát điện trên động cơ dual fuel cải tạo từ động cơ D4 CD170

1 Mục tiêu đề tài

- Nghiên cứu hệ thống nạp syngas cho động cơ lưỡng nhiên liệu dual fuel

syngas-diesel Cải tạo động cơ D4 CD170 sử dụng nhiên liệu diesel thành động cơ

lưỡng nhiên liệu dual fuel syngas-diesel

2 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài được chọn là động cơ dual fuel được cải tạo từdiesel công suất nhỏ chạy máy phát điện D4 CD170

3 Phương pháp nghiên cứu

4 Cấu trúc Báo cáo tổng kết

Báo cáo tổng kết gồm các nội dung như sau:

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Vấn đề khủng hoảng năng lượng toàn cầu

Xã hội loài người đang tiến gần hơn đến sự phát triển bền vững Nhu cầu nănglượng càng tăng kéo theo sự gia tăng của ô nhiễm môi trường và vấn đề nóng lên toàncầu Song song việc phát triển kinh tế hiện đại là vấn đề năng lượng bền vững và yêucầu bảo vệ môi trường sinh thái Điều này đòi hỏi sự chung tay của toàn xã hội, củacác nhà khoa học, tìm giải pháp hợp lý giải quyết bài toán năng lượng và ô nhiễm khíthải toàn cầu

Nhu cầu năng lượng toàn cầu gia tăng đáng kể trong lĩnh vực công nghiệp Tổngsản phẩm nội địa (CDP) của một quốc gia phụ thuộc rất lớn vào tổng mức năng lượngtiêu thụ, điều này sẽ thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế [1, 2] Mức tiêu thụ bìnhquân đầu người sẽ đạt đỉnh trước năm 2030 theo dự báo của cơ quan năng lượng thếgiới [3] và có khoảng 78% mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu chủ yếu từ nguồn nhiênliệu hóa thạch [4] Việc hạn chế mức độ gia tăng ô nhiễm môi trường khi đốt cháynhiên liệu hóa thạch, đặc biệt nhiên liệu diesel luôn được lưu tâm, vì sinh ra khí thảinhư NOx và các hạt PM gây bất lợi cho môi trường và sức khỏe con người Đây là xuhướng thúc đẩy các nghiên cứu có liên quan đến cháy sạch, tìm kiếm các loại nhiênliệu thay thế mà có phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính ở mức thấp hoặc bằng 0

Tại châu Âu, giá khí đốt tăng, khiến các chính phủ trong khu vực phải trợ cấpcho các hóa đơn nhiên liệu và áp trần giá nhiên liệu Chỉ trong vòng một năm, giá khíđốt tại thị trường châu Âu đã tăng khoảng 500%, lên gần mức kỷ lục [5] Tình trạngthiếu hụt năng lượng nghiêm trọng bắt đầu nổi lên từ đầu tháng 9/2021, khi lượng khíđốt dự trữ trong khu vực xuống thấp nhưng nguồn cung khí đốt cung cấp từ một sốquốc gia, đặc biệt từ Nga, Na Uy bị hạn chế

Tại châu Á, khủng hoảng năng lượng xuất hiện đầu tiên ở Trung Quốc, côngxưởng sản xuất của thế giới, khi nhu cầu trên toàn cầu đối với các sản phẩm của TrungQuốc tăng đột biến và bất ngờ trong thời gian gần đây Các công ty điện đã chuyểnsang dùng khí tự nhiên hóa lỏng, đẩy giá khí tăng vọt theo giá than Một số nhà máy

đã đóng cửa hoàn toàn [5]

Cuộc khủng hoảng năng lượng lần này ảnh hưởng đối với Việt Nam là giá cácloại năng lượng nhập khẩu sẽ tăng theo giá thế giới như kể than, dầu và tương lai gần

sẽ là khí tự nhiên hóa lỏng Do đó, sẽ khiến chi phí sản xuất điện nói riêng và chi phísản xuất kinh doanh của các doanh nghiệp bị ảnh hưởng đáng kể Yếu tố này sẽ có tácđộng đến quá trình hồi phục kinh tế của Việt Nam trong thời gian tới

Do vậy, việc tìm kiếm các năng lượng thay thế, năng lượng "xanh" cần phải được

ưu tiên và để đảm bảo nguồn năng lượng của thế giới bền vững trước mọi cuộc khủnghoảng thì con đường chuyển đổi năng lượng cần song hành với quá trình khai thác, sảnxuất và sử dụng dầu khí bền vững Vì thế, cần có chính sách năng lượng chặt chẽ để cóthể đối phó với các vấn đề trên Bên cạnh đó, đi đôi với giải quyết nhu cầu năng lượng

là giảm thiểu sự ô nhiễm môi trường và vấn đề nóng lên toàn cầu

1.2 Tiềm năng năng lượng tái tạo ở Việt Nam

1.2.1 Ưu thế địa lý Việt Nam về năng lượng tái tạo

Việt Nam là đất nước có tiềm năng lớn về năng lượng tái tạo (NLTT) như thủyđiện nhỏ, năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng sóng biển, năng lượng sinhkhối, năng lượng địa nhiệt… Nghiên cứu của Ngân hàng Thế giới chỉ ra rằng, ViệtNam là nước có tiềm năng gió lớn, với hơn 39% tổng diện tích được ước tính có tốc độgió trung bình hàng năm lớn hơn 6m/s ở độ cao 65m, tương đương tổng công suất512GW Bên cạnh đó, với tổng số giờ nắng trung bình cả nước lên đến trên 2.500 giờ/năm và cường độ bức xạ trung bình 4,6 kWh/m2/ngày theo hướng tăng dần về phíaNam là cơ sở tốt phát triển các công nghệ năng lượng mặt trời Chưa kể, là một nướcnông nghiệp, Việt Nam có tiềm năng rất lớn về nguồn năng lượng sinh khối [6]

Hình 1.1 Năng lượng tái tạo tại Việt Nam

1.2.2 Năng lượng sinh khối

Hiện nay, trên thế giới năng lượng sinh khối (NLSK) là nguồn năng lượng thứ tư,chiếm tới 15% tổng năng lượng tiêu thụ toàn thế giới Ðất nước ta có điều kiện tựnhiên thuận lợi sinh khối phát triển rất nhanh Tổng tiềm năng của năng lượng sinhkhối ở Việt Nam khoảng 104,4 triệu tấn (2019), tương ứng khoảng 1346 PJ Cácnguồn nhiên liệu sinh khối chính là rơm rạ (32,1%), củi đốt (30,3%), ngô tạp (18,5%),trấu (6,6%) và bã mía (4,0%) Ngoài ra, tài nguyên sinh khối khác như: rác mía(2,8%), thân sắn (2,6%), vỏ lạc (0,2%), vỏ dừa (0,1%) và cà phê trấu (0,5%) [7] Hiện, năng lượng sinh khối ở Việt Nam đang được sử dụng vào 2 mục đích chính

là sản xuất nhiệt và sản xuất điện Lĩnh vực sản xuất nhiệt, sinh khối là chất đốt chohầu hết các hộ dân sinh sống ở nông thôn, trong các lò gạch, cơ sở nông lâm nhỏ lẻ.Trong lĩnh vực sản xuất điện, điện sinh khối nước ta mới ở quy mô sản xuất nhỏ, nội

bộ trong một số nhà máy, đặc biệt là các nhà máy đường Hiện có 41 nhà máy đườngtại Việt Nam đã sử dụng bã mía để tự phục vụ sản xuất điện với công suất khoảng 150

MW Ngoài ra, có 5 nhà máy mía đường lớn sản xuất điện thương phẩm với tổng sản

lượng lũy kế xấp xỉ 100 triệu kWh Việt Nam cũng đã có một số chính sách thúc đẩynhưng đến nay, số nhà máy và tỷ lệ tham gia của điện sinh khối, điện rác vào hệ thốngđiện là rất thấp.

1.3 Vấn đề xử lý rác thải sinh hoạt

1.3.1 Trên thế giới

Trên Thế Giới, rác thải cũng là một vấn đề gây nhiều phiền toái Con ngườithường sử dụng phương pháp chôn lấp để xử lý rác thải rắn, đây là một trong nhữngphương pháp đầu tiên và cổ xưa nhất của loài người Tuy nhiên đến nay, việc chôn lấprác thải được coi là rất lạc hậu và kém hiệu hiệu quả Thay vào đó có các Quốc giađang hết sức thành công trong việc quản lý rác thải cũng như biến rác thải thành nănglượng để phục vụ con người, điển hình là Thuỵ Điển, Áo, Bỉ và Nhật [8]

Hình 1.2 Quy trình xử lý rác thải sinh hoạt

Tại Thuỵ Điển: Lượng rác thải cần phải chôn lấp ở Thuỵ Điện chỉ chiếm khoảng

1% Còn lại, 47% được tái chế và 52% được đốt để sản xuất nhiệt và điện 50% lượngđiện năng tiêu thụ của Thuỵ Điển đến từ năng lượng tái tạo Họ thiết lập mạng lưới đốtrác để thu lại nguồn điện, hoà vào mạng điện Quốc gia Trong mùa đông lạnh buốt, họcũng có mạng lưới đốt rác được bố trí theo từng quận, để truyền nhiệt năng, sưởi ấmđến từng hộ gia đình Để đáp ứng “nhu cầu về rác” rất lớn này, người dân Thuỵ Điển

đã và đang thực hiện theo một quy trình phân loại rác rất khoa học, kể từ những năm

1970 Tuy nhiên lượng rác trong nước vẫn không đủ, Thuỵ Điển còn phải nhập khẩurác từ các nước khác Trong năm 2015, họ đã nhập khẩu 1,5 triệu tấn rác, và dự đoánnăm 2020 họ sẽ nhập khẩu 2,3 triệu tấn rác Đây là một chính sách thông minh, ThuỵĐiển không những tận dụng rất tốt “tài nguyên rác”, mà còn được các nước lân cận trảtiền để “sử dụng” rác hộ

Tại Áo: Áo là một Quốc gia nhỏ bé đã làm được những điều to lớn trong việc xử

lý chất thải Nổi bật nhất trong hệ thống xử lý rác thải của Áo là công nghệ sinh học đểtái chế nhựa PET Trong khi cả Thế Giới đang phải bó tay vì rác thải nhựa – giải pháptái chế PET hiện giờ là đốt chảy hoặc nghiền nhỏ, vốn có chất lượng sau tái chế rấtkém Một công ty ở Áo đã phát triển một giải pháp công nghệ cao, sử dụng enzim mộtloại nấm để tái chế nhựa PET Dưới tác động của enzim, nhựa PET sẽ bị phân huỷthành phân tử và sau đó có thể dễ dàng chuyển đổi lại thành nhựa chất lượng cao.Cùng với nhiều công nghệ tiên tiến khác, Áo, Bỉ và Đức hiện đang là 3 Quốc gia táichế rác hiệu quả nhất trên Thế Giới

Tại Bỉ: Có tới 75% lượng rác của Bỉ được tái sử dụng, tái chế hoặc ủ phân – consố cao nhất Thế Giới Tài nguyên của họ dường như được tái sử dụng mãi mãi Họ có

2 quy trình quản lý rác thải cực kỳ tiên tiến: Ecolizer và Sự kiện xanh Ecolizer là hệthống trên web để quản trị việc sản xuất, đảm bảo lượng rác thải thấp và sạch Hệthống tính toán quá trình sản xuất, vận chuyển, tiêu dùng, năng lượng và xử lý chấtthải, giúp các nhà sản xuất có thể đánh giá được tác động môi trường mà sản phẩm của

họ sẽ gây ra Từ đó đề xuất những cải tiến trong quy trình và trong khâu thiết kế sảnphẩm, làm giảm hệ quả xấu tới môi trường Sự kiện xanh cũng là một hệ thống quản lýtrên web tương tự như Ecolizer, nhưng đối với những sự kiện Hệ thống này giúp đánhgiá lượng rác thải mà sự kiện có thể gây ra, những cách thức để giảm rác thải trong sựkiện, và thậm chí danh sách những nơi cho thuê dao kéo tái sử dụng

Tại Nhật: So với các nước Châu Âu, Nhật Bản không phải là Quốc gia đi đầu vềtái chế rác thải Nhưng họ là Quốc gia đi đầu trong việc phân loại rác và xử lý rác hiệuquả Rác thải của Nhật được quản lý rất có chiều sâu Bắt nguồn từ ý thức phân loạirác, và đổ rác đúng nơi của người dân Nhật Bản do quỹ đất hẹp, ngành công nghiệpmôi trường phát triển mạnh nên công nghệ chôn lấp ở mức độ vừa phải, chủ yếu chocông nghệ san lấp biển và kè ven biển Phương pháp đốt có thu hồi điện năng, nhiệtnăng chiếm 72,8% với công suất lò đốt đa phần khoảng 500-6000 tấn/ngày Cho đếnviệc đốt rác thải một cách triệt để bằng công nghệ CFB (Công nghệ đốt hóa lỏng tầngsôi) Công nghệ này xử lý rác bằng cách vùi rác vào một lớp cát, sau đó sử dụng lưulượng không khí trong quá trình nung lò, cùng một số hóa chất khác để tiêu hủy rác.Rác bên trong lò sẽ được đối lưu liên tục, và sẽ bị tiêu huỷ hết trong thời gian rấtnhanh, kể cả những vật liệu cứng đầu nhất Không chỉ vậy, công nghệ này cũng giúplượng khí thải như NO và NO2 giảm đi rất nhiều, cùng giá thành rẻ hơn những loạihình khác Lượng nhiệt năng sau khi đốt cũng được sử dụng để sản xuất điện

1.3.2 Tại Việt Nam

Rác thải sinh hoạt và vấn đề ô nhiễm rác thải đang là vấn đề nan giải của nước tahiện nay Do đời sống kinh tế ngày một tăng cao dẫn đến mức độ gia tăng khối lượngrác thải ngày càng lớn không chỉ có xảy ra ở thành thị mà còn ở nông thôn, các khu dulịch Nếu không có giải pháp kịp thời xử lý rác thải sinh hoạt thì lượng rác thải tồnđọng ngày một nhiều để lại nhiều hệ lụy cho môi trường và đời sống cộng đồng ViệtNam hiện có trên 60 triệu dân sống ở vùng nông thôn, chiếm hơn 73% dân số trong cảnước Mỗi năm khu vực nông thôn phát sinh trên 13 triệu tấn rác thải sinh hoạt,khoảng 1.300 triệu m3 nước thải và khoảng 7.500 tấn vỏ bao bì thuốc bảo vệ thực vật.Khối lượng phế phụ phẩm sau thu hoạch như rơm, rạ, trấu, lõi, thân ngô, vỏ, lá thân gỗlàm giấy ngày càng tăng nhanh Về chăn nuôi, cả nước có khoảng 12 triệu hộ gia đình

có hoạt động chăn nuôi và 23.500 trang trại chăn nuôi tập trung Với tổng đàn 314,7triệu con gia cầm và hơn 37 triệu con gia súc, mỗi năm nguồn thải từ chăn nuôi ra môitrường lên tới 84,5 triệu tấn [9]

Hiện, có 28,9% chất thải rắn được xử lý đốt hoặc sản xuất phân hữu cơ;71,1%chôn lấp trực tiếp và 6% chôn sau khi đốt [10] Hiện nay, ở cả khu vực đô thị và nôngthôn nước ta đều chưa có địa phương nào có mô hình xử lý chất thải rắn đạt được cảcác tiêu chí về kỹ thuật, kinh tế, xã hội và môi trường Cả hai phương pháp chôn lấp vàđốt đều bộc lộ hạn chế và chưa giải quyết được triệt để vấn đề xử lý chất thải rắn Mặtkhác việc sử dụng công nghệ chôn lấp tốn nhiều quỹ đất, gây ảnh hưởng đến nguồnnước ngầm [11]

Để xử lý rác thải ở nước ta, công nghệ chôn lấp vẫn là chính Hai thành phố lớn

là Hà Nội và Hồ Chí Minh có hai bãi chôn lấp rác thải chính là bãi rác Nam Sơn và ĐaPhước Mặc dù được đầu tư lớn nhưng hai bãi rác này đang là các điểm nóng về ônhiễm môi trường và đặc biệt là quỹ đất cũng đã gần hết, thậm chí đất dùng để phủ rácsau khi chôn lấp cũng gặp phải khó khăn, không còn chỗ để khai thác Còn các địaphương khác hầu hết vẫn là tình trạng chôn lấp thủ công, bãi rác xây dựng không đúngtiêu chuẩn, rác thải sinh hoạt còn lẫn nhiều chất thải nguy hại như vỏ bao bì thuốc bảovệ thực vật, nước rỉ rác không được xử lý

Hình 1.3 Phương pháp chôn lấp rác thảiNgày 7/5/2018, Chính phủ đã ban hành Quyết định số 491/QĐ-TTg về việc phêduyệt điều chỉnh Chiến lược quốc gia về quản lý tổng hợp chất thải rắn đến năm 2025,tầm nhìn đến năm 2050, trong đó, có yêu cầu rõ việc đầu tư xây dựng mới cơ sở xử lýchất thải rắn sinh hoạt ở nông thôn phải bảo đảm tỷ lệ chôn lấp sau xử lý không quá

20% Các địa phương áp dụng công nghệ tốt, hiện đại, thân thiện với môi trường để xử

lý chất thải nông thôn

Đề xuất giải quyết khó khăn về rác thải nông thôn, Bộ Tài nguyên và Môi trườngđịnh hướng xử lý rác thải thay vì chôn lấp, không hợp vệ sinh sang tái sử dụng, tái chế

có hiệu quả Trước mắt, cần đánh giá toàn bộ các trung tâm xử lý chất thải, qua đónắm rõ hơn tình trạng môi trường trên cả nước hiện nay; đồng thời, tìm kiếm và côngbố những công nghệ phù hợp để các địa phương chủ động lựa chọn phù hợp với nhucầu của địa phương Công tác thu gom rác thải sinh hoạt còn gặp nhiều khó khăn dokinh phí và phương tiện hạn chế, kèm theo đó là thói quen vứt rác bừa bãi, đẩy rác rakhỏi cửa nhà mình là xong thiếu ý thức giữ gìn vệ sinh môi trường công cộng nêncông tác thu gom ở thành phố chỉ mới đạt được 70-80% Đặc biệt ở khu vực nông thôntrước đây không có kinh phí và tổ chức thu gom rác nên rác thải vứt bừa bãi khắp nơi,cạnh bờ ao, dọc đường quốc lộ, ven bờ ruộng.v.v tạo ra một hình ảnh nông thôn vôcùng phản cảm

Để xử lý rác thải sinh hoạt bảo vệ tốt môi trường, nước ta đang thay thế dần côngnghệ chôn lấp bằng công nghệ thiêu đốt Cho đến thời điểm hiện nay, thiêu đốt vẫn làgiải pháp thích hợp kinh tế Trong thời gian qua, nhiều địa phương đã nhập công nghệnước ngoài nhưng do rác thải nước ta không được phân loại từ nguồn nên khi đi vàovận hành không phát huy được hiệu quả

Thế giới đã cho nước ta thấy được những bài học trong vấn đề xử lý rác thải sinhhoạt Trước tiên ta phải thấy rằng điểm chung của những Quốc gia xử lý rác thải hiệuquả là đến từ ý thức phân loại rác, và đổ rác đúng nơi quy định của người dân Nếukhông có ý thức này, mọi công nghệ xử lý rác là vô ích Đa Phước từ lúc được xâydựng cũng có một quy trình để tái chế rác thải, nhưng không thể sử dụng được vìnguồn rác đầu vào không được phân loại Về công nghệ, để bắt chước theo các Quốcgia châu Âu thì có vẻ còn khá xa Công nghệ đốt rác của Nhật Bản là phương pháp khảthi để theo đuổi nhất hiện giờ Đề tài “Mô đun điện rác thông qua RDF sản xuất từchất thải rắn ở nông thôn” [12]của Giáo sư-Tiến sĩ khoa học Bùi Văn Ga giúp giảiquyết bài toán này, biến rác thải thành những viên nén RDF [13] giúp dễ lưu trữ, vậnchuyển, khí hóa chuyển nhiên liệu rắn thành nhiên liệu khí tổng hợp hoặc ủ thànhnhiên liệu biogas để tận thu nguồn năng lượng rác thải

1.5 Khí hóa nhiên liệu rắn

1.5.1 Khí hóa nhiên liệu rắn biomass

Khí hoá là một quá trình chuyển đổi các vật liệu carbon dựa trên nhiên liệu hữu

cơ hoặc hóa thạch thành carbon monoxide, hydro và carbon dioxide Điều này đạt

được bằng cách phản ứng với vật liệu ở nhiệt độ cao, không đốt cháy, với lượng oxy

và hơi nước được kiểm soát Hỗn hợp khí thu được được gọi là khí tổng hợp syngashoặc khí sản xuất và bản thân nó là nhiên liệu phục vụ cho các quá trình đốt cháy sảnxuất năng lượng Ưu điểm của khí hoá là sử dụng khí tổng hợp (H2 và CO) có hiệu quảcao hơn đốt cháy trực tiếp nhiên liệu ban đầu vì nó có thể đốt cháy ở nhiệt độ cao hơn,

sử dụng nhiều công nghệ đốt hiệu quả, dễ dàng trong điều khiển, kiểm soát quá trìnhcháy Một số quy trình khí hóa nhằm mục đích tinh chế các nguyên tố tro ăn mòn nhưclorua và kali, cho phép sản xuất khí sạch từ các nhiên liệu có vấn đề khác Ngoài ra

sử dụng khí hoá có thể giảm phát thải các khí độc hại khi đốt từ nhiên liệu hóa thạchnhư SOx và NOx

Quá trình khí hóa gồm một loạt các phản ứng thuận nghịch diễn ra gồm phản ứngcháy và phản ứng hoàn nguyên sản phẩm cháy để tạo nên hỗn hợp khí syngas Hiệusuất khí hóa đạt cực đại khi hệ số không khí dư nằm trong khoảng 0,25-0,3 và nhiệt độnằm trong khoảng 680-700°C [14] Nguyên liệu thô sinh khối đi vào lò phản ứng củakhí hóa, được làm nóng và sấy khô, và sau đó với sự gia tăng nhiệt độ, các chất dễ bayhơi của nó được tách ra và bị nhiệt phân (nứt) ở nhiệt độ cao Khí và cacbua sau khinhiệt phân phản ứng với không khí được cung cấp trong khu vực oxy hóa để tạo raCO2 và hơi nước Nhiệt sinh ra từ quá trình đốt được sử dụng để duy trì phản ứng hấpthụ nhiệt ở khu vực sấy, nhiệt phân và khử ở lò dưới Sau khi đốt, khí sẽ đi qua khuvực khử và khu vực cacbon hóa (C + CO2 = 2CO, C + H2O = H2 + CO) trong thân lò

để tạo ra khí tổng hợp có chứa CO, H2, CH4 và các thành phần khác [15]

Hình 1.4 Các phản ưng có bản trong lò khí hoáSyngas thu được từ quá trình khí hóa gồm các thành phần 15–20% H2, 15–20%

CO, 1–5% CH4, 10–15% CO2, còn lại là N2 [16] là nhiên liệu tiềm năng để phát điện

1.5.2 Phương pháp khí hóa biến rác thải sinh hoạt thành syngas

Khí hóa rác thải thành năng lượng là một công nghệ chuyển đổi rác thải thànhkhí tổng hợp (syngas) Hiện tại công nghệ này đã và đang được áp dụng ở rất nhiềunước trên thế giới như Anh, Mỹ, Nam Phi Với tình thế chung hiện tại thì các nướcnày đều gặp vấn đề với rác thải hay vấn đề trong sử dụng năng lượng có nguồn gốc từnguyên liệu hóa thạch đang ngày một khan hiếm Ở Việt Nam thì công nghệ khí hóachỉ có một số ít nhà máy mới thực nghiệm và đi vào hoạt động Công nghệ đang được

áp dụng thí điểm hiện nay là công nghệ điện rác MBT GRE được áp dụng tại nhà máyđiện rác ở KCN Đồng Văn (Hà Nam) và tại Hưng Yên

Phân loại lò khí hóa hiện có trên thế giới:

+ Khí hóa tầng sôi loại 1 (Updraft fixed bed - UFB)

+ Khí hóa tầng sôi loại 2 (Downdeft fixed bed - DFB)

+ Khí hóa dòng chảy (Entrained fow - EF)

+ Khí hóa tầng sôi sủi bọt (Bubbling fluidised bed - BFB)

+ Khí hóa tầng sôi tuần hoàn (Circulating fluidised bed - CFB)

+ Khí hóa tầng sôi kép (Dual fluidised bed - Dual FB)

+ Khí hóa Plasma

Rác thải được thu gom và vận chuyển về kho lưu trữ Đầu tiên hỗn hợp rác thảiđược đưa vào công đoạn tiền xử lý chúng sẽ được làm bung tơi bởi tổ hợp máy xé bao,sau đó hỗn hợp rác thải tiếp tục đi qua hệ thống sàng lồng tách các mùn hữu cơ vô cơ;rồi rác tiếp tục được đưa vào hệ thống máy cắt để làm đồng đều kích thước, cùng với

đó đồng thời loại bỏ các kim loại nhỏ bằng từ tính Bộ phận tách nylon tiếp theo giúploại bỏ được phần lớn các túi ni lông trong rác thải, các loại túi sau khi được tách cóthể đem đi tái chế hoặc phối trộn xơ bã rác

Để tách các dạng mô mềm, tinh bột và nước ngậm thì rác thải được đưa vào hệthống máy ép, thành phần bùn sau khi ép được đem phối trộn với than carbon để làmphân bón Còn lại phần sơ bã rác được đưa vào hệ thống sấy khô và thực hiện quátrình khí hóa trong hệ thống khí hóa nhiên liệu Sau quá trình khí hóa than carbonđược đem phối trộn làm phân bón, còn lại khí tổng hợp (syngas) được chuyền vào hệthống làm sạch syngas và được đưa vào hệ thống cyclon túi chứa để duy trì áp suất ổnđịnh Sau công nghệ khí syngas sẽ làm nhiên liệu cho máy phát điện và làm nhiên liệuđốt Còn lượng khí thải sau quá trình sấy sẽ được xử lý bởi tổ hợp tháp hấp thụ, hấpphụ rồi mới thải ra ngoài

1.6 Ứng dụng syngas trên động cơ đốt trong

Việc ứng dụng nhiên liệu khí nói chung và syngas nói riêng để chạy động cơ đốttrong đã được phát triển ở nước ta từ rất sớm Những năm đầu thập niên 1980 của thế

kỷ trước do thiếu nhiên liệu xăng dầu truyền thống nên chúng ta đã sử dụng syngas đểchạy ô tô và kéo máy công tác Nhiên liệu rắn chủ yếu là than, gỗ Công nghệ ứngdụng syngas từ sinh khối than, gỗ và mùn cưa để cung cấp cho động cơ diesel phátđiện đã được trình bày trong luận án Tiến sĩ kỹ thuật của Bùi Văn Chinh [17]

Ứng dụng nhiên liệu khí để chạy máy phát điện đã được nhiều tác giả thực hiệntrong thực tế [6, 18-21] Tuy nhiên các ứng dụng này chỉ dừng lại ở mức áp dụngnhững kinh nghiệm thực tiễn cá nhân, chưa phải là những nghiên cứu khoa học bài bản

để ngày càng nâng cao chất lượng và hoàn thiện sản phẩm Nhóm nghiên cứu của BùiVăn Ga, Trường Đại học Bách khoa-Đại học Đà Nẵng đã bắt đầu nghiên cứu động cơ

sử dụng nhiên liệu khí từ những năm 1990 [22] Những kết quả nghiên cứu về nhiênliệu LPG đã được ứng dụng trên xe gắn máy, ô tô [23-25] Qua nhiều năm nghiên cứuchuyên sâu, nhóm đã hoàn thiện dần sản phẩm và làm chủ công nghệ cải tạo động cơtruyền thống sang chạy bằng biogas [26-30] Các kết quả nghiên cứu đã được pháttriển để ứng dụng hỗn hợp biogas và hydrogen hay HHO [31-34] Trên cơ sở nhữngkinh nghiệm đã có, nhóm đang nghiên cứu công nghệ ứng dụng syngas trên động cơkéo máy phát điện

Đến nay động cơ chạy bằng biogas đã được ứng dụng để phát điện riêng rẽ grid) trong thực tế Động cơ chạy bằng syngas trong nước hầu như chưa được ứngdụng Về ứng dụng syngas trên động cơ đốt trong, các nghiên cứu gần đây cho thấycần lưu ý 2 vấn đề phát sinh liên quan đến tạp chất trong syngas và sự tụt giảm côngsuất động cơ do nhiệt trị nhiên liệu thấp Do giá trị LHV của syngas thấp nên công suấtđộng cơ syngas giảm so với các loại nhiên liệu truyền thống Tuy nhiên do tỉ lệ khôngkhí/nhiên liệu (A/F) của syngas trong hỗn hợp cháy hoàn toàn lý thuyết chỉ bằng 1,2nhỏ hơn rất nhiều so với A/F=14,9 đối với xăng hoặc A/F=14,5 đối với diesel [35-37]nên sự tụt giảm công suất động cơ không tỉ lệ với LHV Thông thường khi chuyểnsang chạy bằng syngas thì công suất động cơ giảm 15%-20% so với động cơ diesel vàgiảm 30%-40% so với động cơ xăng [38, 39] Khi LHV của syngas quá thấp thì quátrình cháy không ổn định [40] làm giảm hiệu suất động cơ Vì thế, để có thể sử dụngtrên động cơ SI thì nhiệt trị của syngas phải cao hơn 4,2 MJ/Nm3 [41]

(off-1.7 Tính cấp thiết đề tài

Hội nghị Thượng đỉnh về biến đổi khí hậu COP26 diễn ra ở Glasgow mới đây,Việt Nam đã cam kết thực hiện các cơ chế theo thỏa thuận Paris, để đạt mức phát thải

ròng bằng 0 (Net Zero) vào năm 2050 [42] Để đạt mục tiêu này, Chính phủ ta đã tiếnhành thực hiện chiến lược chuyển đổi năng lượng, thay thế dần năng lượng hóa thạchbằng năng lượng tái tạo Tuy công nghệ sản xuất và sử dụng năng lượng tái tạo đếnnay đã được hoàn thiện đáng kể nhưng những nhược điểm cơ bản của chúng vẫn chưađược khắc phục bằng những giải pháp truyền thống Năng lượng tái tạo thường không

ổn định, công suất nguồn phát năng lượng thay đổi theo thời gian trong ngành hay thayđổi ngẫu nhiên theo điều kiện khí hậu, thời tiết Vì vậy, để đảm bảo tính ổn định củahệ thống năng lượng, chúng ta cần phối hợp sử dụng nhiều nguồn năng lượng tái tạokhác nhau, gọi là hệ thống năng lượng tái tạo lai (hybrid), thay vì sử dụng một nguồnnăng lượng tái tạo độc lập [43] Nước ta cũng như một số nước thuộc vùng nhiệt đới,tiềm năng về điện mặt trời, điện gió và sinh khối rất dồi dào Do đó hệ thống nănglượng tái tạo hybrid syngas-biogas-năng lượng mặt trời-năng lượng gió (gọi chung làhệ thống năng lượng tái tạo SBS, Syngas-Biogas-Solar) có nhiều lợi thế [44-47]

Sinh khối có thể lưu trữ được nên có thể sử dụng riêng lẻ hoặc phối hợp trong hệthống năng lượng tái tạo hybrid (HRES) Trong số các dạng năng lượng tái tạo khácnhau, sinh khối (biomass) là nguồn năng lượng lớn thứ 4 [48] Sinh khối có thể chuyểnthành biogas đối với những chất hữu cơ dễ phân hủy hay thành syngas (khí tổng hợp)thông qua quá trình khí hóa đối với những chất hữu cơ khó phân hủy Việc chuyển đổibiomass thành viên nén nhiên liệu (RDF) để thu hồi năng lượng bằng khí hóa là giảipháp công nghệ nhiên liệu sinh học mới Mật độ cao của RDF giúp cho sự lưu trữ, vậnchuyển chúng đến nơi sử dụng dễ dàng hơn đồng thời nó làm tăng tính đồng nhất củanhiên liệu trong quá trình chuyển hóa năng lượng Chất lượng syngas phụ thuộc vàonguồn gốc nguyên liệu và quá trình khí hóa Do đó tốc độ cháy cũng thay đổi và không

ổn định Nhiệt trị của syngas khoảng 4-7 MJ/Nm3 [49], chỉ bằng 10% nhiệt trị của khíthiên nhiên, LPG hay xăng dầu Tuy nhiên do tỷ lệ không khí/nhiên liệu (A/F) củasyngas trong hỗn hợp cháy hoàn toàn lý thuyết chỉ bằng 1,2 nhỏ hơn rất nhiều so vớiA/F=14,9 đối với xăng hoặc A/F=14,5 đối với diesel [35, 37, 50] nên sự tụt giảm côngsuất động cơ không tỷ lệ với nhiệt trị nhiên liệu mà liên quan đến sự suy giảm hệ sốnạp do trọng lượng riêng thấp Khi chạy bằng syngas công suất động cơ giảm khoảng15%-20% so với động cơ diesel và giảm 30%-40% so với động cơ xăng [51-53] Giảipháp thường dùng để cải thiện tính năng của động cơ chạy bằng syngas là làm giàuchúng bằng những nhiên liệu có nhiệt trị cao hơn như biogas, hydrogen [53]

Bên cạnh ưu điểm về sản xuất năng lượng sạch bằng sinh khối, hệ thống nănglượng tái tạo SBS còn góp phần xử lý chất thải rắn trong sản xuất và sinh hoạt ở nôngthôn Các chất thải rắn khó phân hủy được chế biến thành viên nén nhiên liệu RDF,khí hóa thành syngas [54] Các chất thải hữu cơ dễ phân hủy được sử dụng để sản xuất

biogas Thu hồi năng lượng từ khí hóa chất thải sinh hoạt có thể làm giảm 70% khốilượng và 90% thể tích của chúng giúp tiết kiệm đất để chôn lấp rác [55] Vì vậy, để cóthể ứng dụng nhiên liêu khí syngas vào thực tế cần có nghiên cứu giải pháp cải thiệntính năng của động cơ chạy bằng syngas Việc làm giàu chúng bằng nhiên liệu có nhiệttrị cao hơn như hydrogen, biogas, CH4, CNG bổ sung vào nhiên liệu syngas dùng chođộng cơ đốt trong có thể được xem là giải pháp [56]

Tuy nhiên như mô tả trên đây, trong hệ thống năng lượng tái tạo hybrid, động cơđược cung cấp hỗn hợp nhiên liệu syngas-biogas-hydrogen có thành phần thay đổitrong phạm vi rộng Do đó việc làm giàu syngas bằng biogas, hydrogen không đảmbảo công suất động cơ ổn định trong các điều kiện cung cấp nhiên liệu khác nhau Giảipháp cho vấn đề này là phun trực tiếp nhiên liệu khí vào xi lanh động cơ để cải thiệnhệ số nạp, để ứng dụng nhiên liệu khí syngas cho động cơ đốt trong

Syngas có thể được ứng dụng trên động cơ Diesel hoặc động cơ đánh lửa cưỡngbức theo nhiều cách khác nhau Giới hạn tự cháy của syngas rất cao nên nhiên liệudiesel được phun thêm vào để có thể đốt cháy được hỗn hợp hòa khí trong động cơdiesel Đề tài mô phỏng quá trình nạp liệu syngas-diesel cho động cơ dual fuel và thựcnghiệm cải tạo động cơ D4 CD170 thành động cơ lưỡng nhiên liệu dual fuel syngas-diesel

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH CUNG CẤP NHIÊN LIỆU CHO

ĐỘNG CƠ DUAL FUEL SYNGAS-DIESEL

2.1 Giới thiệu về nhiên liệu syngas

2.1.1 Giới thiệu chung

Syngas chứa các thành phần chính như hydro (H2), cacbon monoxit (CO), mê tan(CH4), và có thể một lượng nhỏ hydro-cacbon nặng Trong syngas có khoảng 50% cácloại khí trơ như nitơ (N2), nước (H2O) và cacbon điôxit (CO2) So sánh với nhiên liệuhóa thạch truyền thống, syngas có một số đặc điểm hóa lý nổi bật gồm tốc độ cháytầng tương đối cao và giới hạn cháy rộng Tuy nhiên, nồng độ các chất có trong syngasthay đổi khác nhau tùy thuộc vào loại nguyên liệu và quá trình khí hóa, vì vậy đặcđiểm của quá trình cháy và nồng độ khí xả cũng rất khác nhau Đây thực sự là mộtthách thức lớn khi sử dụng syngas làm nhiên liệu thay thế dùng trên ĐCĐT

Khí tổng hợp được coi là nguồn năng lượng tái tạo cho tương lai vì sự sẵn có củanguyên liệu thô, sinh khối, được sử dụng trong quá trình khí hóa với số lượng khácnhau ở hầu hết mọi nơi trên thế giới Ngoài việc sử dụng cho ĐCĐT trên thế giớiSyngas được sản xuất (phần lớn là từ các nguồn năng lượng hóa thạch như than đá, khí

tự nhiên, dầu và chất thải) và ứng dụng chủ yếu tập trung vào ngành công nghiệpamoniac Một ứng dụng khác của Syngas là sản xuất hydro để sử dụng trong các nhàmáy lọc dầu và để sản xuất methanol Syngas là nguồn năng lượng tái tạo trong tươnglai với tiềm năng sản lượng lớn, đây cũng là nguồn năng lượng tái tạo có độ bền vữngcao Vì vậy, việc sử dụng sinh khối để sản xuất Syngas và hóa chất cho phép giảm nhucầu tiêu thụ các loại nhiên liệu hóa thạch và giảm được các thành phần phát thải độchại

Trong quá trình sản xuất Syngas, nguyên liệu đầu vào được sấy tới nhiệt độ cao,sản phẩm của quá trình này là chất khí mới tạo thành và phần chất rắn còn lại khôngphản ứng Lượng khí tạo ra phụ thuộc vào nhiệt độ và tính chất của nguồn nguyên liệucũng như nhiệt độ mà các phản ứng xảy ra Các phản ứng ban đầu xảy ra dưới sự cómặt của ô xy cho ra sản phẩm có cả khí CO và CO2 Các phản ứng xảy ra rất nhanh vàkèm theo sự tỏa nhiệt còn là tiền đề để tạo ra các phản ứng tiếp theo Quá trình khí hóanguyên liệu rắn xảy ra tại nhiệt độ lớn hơn 600°C, tạo ra khí và chất tar dạng nhựađường Các phản ứng hóa học ban đầu ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình khí hóa vàquyết định đến thành phần các chất khí cuối cùng tạo thành Những phản ứng thứ cấp

xảy ra tại nhiệt độ lớn hơn 600°C với điều kiện áp suất thích hợp sẽ giúp cho sự phânhủy tro tạo ra cacbon và các chất khí [56]

2.1.2 Đặc điểm và tính chất Syngas

Tính chất vật lý và hóa học của Syngas phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu sảnxuất, công nghệ sản xuất và đặc biệt là thành phần các khí đơn chất cấu tạo nên Hệthống năng lượng tái tạo (hybrid), phối hợp sử dụng nhiều nguồn năng lượng tái tạokhác nhau là hệ thống tiềm năng Hệ thống này có thể khắc phục được tính không ổnđịnh do phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, khí hậu, mùa vụ của các hệ thống nănglượng sử dụng một nguồn năng lượng tái tạo duy nhất [43] Việt Nam là một quốc giathuộc vùng nhiệt đới, tiềm năng về điện mặt trời, điện gió và sinh khối rất dồi dào Do

đó, hệ thống năng lượng tái tạo hybrid syngas-biogas-năng lượng mặt trời-năng lượnggió (gọi chung là hệ thống năng lượng tái tạo SBS, Syngas-Biogas-Solar) có nhiều lợithế [44-47]

Bên cạnh ưu điểm về sản xuất năng lượng sạch, hệ thống năng lượng tái tạo SBScòn góp phần xử lý chất thải rắn trong sản xuất và sinh hoạt ở nông thôn Các chất thảirắn khó phân hủy được chế biến thành viên nén nhiên liệu RDF rồi khí hóa thànhsyngas [57] Các chất thải hữu cơ dễ phân hủy được sử dụng để sản xuất biogas Khicông suất của điện mặt trời, điện gió cao hơn công suất phụ tải thì phần công suất dưđược sử dụng để sản xuất hydrogen Syngas, biogas và hydrogen được lưu trữ chungtrong túi chứa nhiên liệu khí để cung cấp cho động cơ phát điện khi nguồn điện mặttrời gián đoạn hay không đủ cung cấp cho phụ tải [58]

Theo nguyên lý hoạt động của hệ thống năng lượng tái tạo SBS nêu trên thì thànhphần nhiên liệu khí cung cấp cho động cơ thay đổi một cách ngẫu nhiên và trong phạm

vị rộng Động cơ có thể chạy hoàn toàn bằng một loại nhiên liệu thành phần, cũng cóthể chạy bằng hỗn hợp 2 nhiên liệu thành phần hay 3 nhiên liệu thành phần với tỉ lệkhác nhau [59, 60]

Trong ba loại nhiên liệu hydrogen, biogas và syngas thì syngas có sự khác biệtlớn về nhiệt trị và tỉ lệ không khí/nhiên liệu (AFR) so với các nhiên liệu còn lại Tỉ sốAFR của syngas thấp dẫn đến thời gian phun kéo dài khiến cho nhiên liệu cung cấpcho chu trình không được hút hoàn toàn vào xilanh vào cuối kỳ nạp Điều này khiếncho hệ số tương đương ϕ không thể đạt được giá trị 1 (hỗn hợp cháy hoàn toàn), đặcbiệt khi động cơ chạy ở tốc độ cao Sự tích lũy của nhiên liệu trên đường nạp ở chu kỳtrước làm mất kiểm soát hệ số tương đương ở các chu kỳ tiếp theo và gây ra hiệntượng nổ ngược Đây thực sự là thách thức kỹ thuật đối với hệ thống nạp khi ứng dụngsyngas cho động cơ đốt trong Mặt khác, nhiệt trị của nhiên liệu rất thấp dẫn đến giảm

công suất động cơ Thành phần thể tích của syngas khi sử dụng không khí làm chấtoxy hóa thường 18-20% H2, 18-20% CO, 2% CH4, 11-13% CO2, một ít H2O, còn lại là

N2 [35] Nhiệt trị thấp của syngas thông thường trong khoảng 4-6 MJ/kg [49], chỉ bằngkhoảng 10% nhiệt trị của khí thiên nhiên, LPG hay xăng dầu Tuy nhiên do lượngkhông khí cần thiết để đốt cháy một đơn vị khối lượng syngas cũng chỉ bằng 10% cácloại nhiên liệu truyền thống nên việc tụt giảm công suất động cơ không tỉ lệ với nhiệttrị nhiên liệu Thực tế cho thấy, khi chạy bằng syngas công suất động cơ giảm khoảng15%-20% so với động cơ diesel và giảm 30%-40% so với động cơ xăng [51-53] Vìvậy, việc làm giàu syngas bằng các loại nhiên liệu khác có nhiệt trị cao hơn và nghiêncứu giải pháp cung cấp nhiên liệu tối ưu là rất cần thiết để phát triển ứng dụng các loạinhiên liệu thu hồi từ sinh khối trên động cơ đốt trong

Phun trực tiếp syngas vào buồng cháy động cơ là một giải pháp hữu hiệu để cảithiện tính năng động cơ Hagos và các cộng sự [61-67] sử dụng khí syngas(50%H2/50%CO) làm nhiên liệu duy nhất cho động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng hệthống phun nhiên liệu trực tiếp Kết quả cho thấy, momen có ích của động cơ tăng nhẹ

từ 1% đến 6% tại số vòng quay 1500v/p so với kết quả công bố ở công trình [68] khi

sử dụng hệ thống cung cấp nhiên liệu trên đường nạp Bên cạnh đó, sử dụng hệ thốngphun nhiên liệu trực tiếp có thể khắc phục được các vấn đề liên quan đến hệ số nạp củanhiên liệu khí và hiện tượng nổ ngược như đã đề cập ở trên Mặc dù vậy, công trìnhcủa Hagos và các cộng sự [65] cũng chỉ ra sự hạn chế về thời gian phun và mức tiêuthụ nhiên liệu cao hơn khi sử dụng syngas thay thế cho CNG Để rút ngắn thời giannạp, nhiên liệu syngas thường được làm giàu bằng những nhiên liệu có nhiệt trị caohơn như biogas, hydrogen [53] hoặc methane [64, 66, 67] Hơn nữa, kết quả từ cáccông trình của Hagos và các cộng sự [64, 66, 67] cho thấy, hiệu suất nhiệt và suất tiêuhao nhiên liệu của động cơ phun trực tiếp syngas làm giàu methane so với CNG có thểđược cải thiện

Tuy nhiên như mô tả trên đây, trong hệ thống năng lượng tái tạo hybrid, động cơđược cung cấp hỗn hợp nhiên liệu có thành phần thay đổi trong phạm vi rộng Do đónếu sử dụng các phương pháp cấp nhiên liệu truyền thống thì không thể đảm bảo côngsuất động cơ ổn định trong các điều kiện cung cấp nhiên liệu khác nhau Giải pháp kỹthuật cung cấp nhiên liệu cho động cơ sử dụng nhiên liệu khí linh hoạt là phun trựctiếp nhiên liệu khí vào xilanh động cơ sử dụng hệ thống phun kép [69, 70]

Trong công trình này, nhóm tác giả sẽ trình bày kết quả nghiên cứu mô phỏngtính năng động cơ dual fuel chạy bằng syngas được làm giàu bởi biogas Đây là hailoại nhiên liệu được thu hồi từ chất thải rắn trong sản xuất và sinh hoạt ở nông thôn.Thành phần chính của biogas là CH4 (50%-80%) còn lại là CO2 CH4 có nhiệt trị thể

tích cao hơn nhiều so với H2 nên khi bổ sung biogas, nhiệt trị của hỗn hợp nhiên liệutăng Hơn nữa, H2 có tốc độ cháy cơ bản cao hơn rất nhiều so với CH4, giới hạn cháyrộng và năng lượng đánh lửa thấp nên sự hiện diện của nó trong syngas cải thiện đáng

kể chất lượng quá trình cháy Sự phối hợp của 2 loại nhiên liệu này vì thế không chỉgiải quyết được bất cập khi sử dụng một nguồn năng lượng tái tạo duy nhất mà còn cảithiện tính năng công tác của động cơ dual fuel

Bảng 2.1 Tính chất lý hóa của các khí thành phần chính của syngas [56]

2 Tỷ lệ không khí-nhiên liệu lý

3 Nhiệt độ cháy lớn nhất tại 1atm (K) 2378 2384 2223

4 Giới hạn bốc cháy (nhạt/đậm) 0,01/7,17 0,34/6,80 0,54/1,69

5 Tốc độ lan tràn màng lửa (cm/giây) 270 45 35

Ưu điểm:

Ưu điểm của khí Syngas so với nhiên liệu đốt trực tiếp là được sản xuất từ nguồnnguyên liệu có giá trị thấp và có thể tái tạo được Syngas được sử dụng như sinh nhiệt,chuyển đổi thành điện và còn là nhiên liệu cho các phương tiện vận tải Trong nhữngnăm sắp tới, nó sẽ giữ vai trò chính để bổ sung nhu cầu năng lượng của thế giới Sửdụng công nghệ tiên tiến như tua bin khí và pin nhiên liệu với Syngas được tạo ra từkết quả của quá trình khí hóa hiệu suất cao Trong hệ thống khí hóa đồng phát nhiệt -điện, các chất gây ô nhiễm trong khói như SOx, NOx được loại bỏ hiệu quả, kết quảlượng phát thải ô nhiễm thấp hơn nhiều Hơn nữa, nhiên liệu lỏng, khí tạo ra dễ dàngcho quá trình xử lý, vận chuyển và sử dụng làm nhiên liệu cho vận tải Sản phẩm khíđầu ra phù hợp làm nhiên liệu cho hầu hết các loại ĐCĐT

Trong khi đó, nhiều cơ sở sản xuất và chế biến nông sản lại cần nhiều năng lượngnhiệt mà hiện tại đang phải sử dụng các loại nhiên liệu không có khả năng tái tạo nhưthan đá, hoặc một số nhiên liệu phải nhập từ nước ngoài như dầu FO, DO, nhiên liệukhí Như vậy, nếu phế phẩm nông nghiệp (vỏ trấu, lõi ngô) được sử dụng để chuyểnđổi thành năng lượng theo công nghệ mới thì không những khắc phục được sự thiếuhụt về nguồn nhiên liệu hiện nay mà còn hạn chế được ô nhiễm môi trường, ngoài racòn góp phần đem lại hiệu quả kinh tế cho các doanh nghiệp [56] Bảng 2.2 dưới đâytrình bày về bài toán so sánh về giá trị kinh tế giữa việc sử dụng nhiên liệu truyềnthống và khi sử dụng thay thế bằng nguyên liệu sinh khối (phụ phẩm nông nghiệp)

Bảng 2.2 So sánh giá trị kinh tế trên đơn vị nhiệt trị giữa sử dụng nhiên liệu truyền thống và nhiên liệu syngas ở Việt Nam [71]

Nhiên liệu hóa thạch Nguyên liệu sinh khối

Nhiên liệu

Nhiệt trị thấp (MJ/kg)

$USDCent/MJ Nhiên liệu

Nhiệt trị thấp (MJ/kg)

$USDCent/MJ

Nhiệt trị thấp của các nhiên liệu truyền thống (ví dụ than đá) cao hơn sinh khối từ1,5÷2,5 lần, do vậy giá trên đơn vị năng lượng của nhiên liệu truyền thống (than đá)cao hơn sinh khối (vỏ trấu) vào khoảng 12÷18 lần Cụ thể với than đá có nhiệt trị nhưnêu trên vào thời điểm nghiên cứu khoảng 5600 đồng kg, trong khi đó giá của vỏ trấu

là 500 đồng/kg (chủ yếu là tiền thu gom vận chuyển là chính), từ đó ta có thể so sánhđược chi phí (giá) trên một đơn vị năng lượng (nhiệt trị) như nêu trên [71]

Trong trường hợp vỏ trấu được khí hóa với hiệu suất khoảng 65% thì chi phí(giá) cho một đơn vị năng lượng (nhiệt trị) của vỏ trấu sẽ thấp hơn 4,7÷5,2 lần so vớithan đá Còn khi so sánh giữa vỏ trấu với Diesel hoặc khí ga thì chi phí (giá) còn thấphơn nhiều lần nữa hoặc khi so sánh lõi ngô với than đá hoặc Diesel, hoặc khí ga thìhiệu quả kinh tế còn cao hơn nữa, vì lõi ngô còn rẻ hơn vỏ trấu Điều đó cho thấy, việc

sử dụng vỏ trấu, lõi ngô làm Syngas sẽ đem lại hiệu quả kinh tế cao hơn nhiều lần sovới khi dùng than đá, hoặc dầu Diesel hoặc khí gas.[71]

Nhược điểm:

Nhược điểm của Syngas chủ yếu là về vấn đề công nghệ khí hóa, ở Việt Namcông nghệ này đã có từ những năm 1975 khi đất nước giải phóng, thời điểm đó cảnước khan hiếm xăng dầu Bên cạnh đó kỹ thuật khí hóa lúc này còn sơ khai, đặc biệt

là công nghệ lọc và xử lý khí Syngas chưa đạt yêu cầu làm ảnh hưởng tới quá trìnhlàm việc của ĐCĐT Một số nghiên cứu như của tác giả Bùi Thành Trung và Viện Chếtạo máy nông nghiệp Bộ Công thương tiến hành nghiên cứu các mẫu thiết bị khí hóaviên sinh khối để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng từ viên ép sinh khối, nhưngvẫn tồn tại các nhược điểm như khả năng sinh khí Syngas bị gián đoạn, chưa ổn định,cường độ khí Syngas và hiệu suất nhiệt chưa cao, yêu cầu nguyên liệu phải khô [72] Ngoài những nhược điểm về công nghệ khí hóa còn vấp phải vấn đề như khảnăng lưu trữ, hóa lỏng Syngas, Syngas thường phải được sử dụng ngay sau khi khíhóa Các thành phần khí có trong Syngas có tỷ trọng và mật độ năng lượng thấp hơn

rất nhiều so với nhiên liệu khác như khí thiên nhiên và xăng nên việc tích trữ và vậnchuyển để làm nhiên liệu cung cấp cho các phương tiện vận tải sẽ gặp nhiều khó khăn

và chi phí cao

2.2 Tính toán quá trình cung cấp nhiên liệu cho động cơ dual fuel syngas-diesel

2.2.1 Nghiên cứu mô phỏng

2.2.1.1 Động cơ và nhiên liệu

Nghiên cứu được tiến hành trên động cơ D4 CD 170 có đường kính xilanh70mm, hành trình piston 65mm, tỉ số nén 17 Khi chạy bằng diesel động cơ phát côngsuất tối đa 3,23 HP ở tốc độ 2600 v/ph Động cơ nguyên bản sử dụng nhiên liệuDiesel, sau khi cải tạo hệ thống nạp động cơ sử dụng nhiên liệu khí linh hoạt syngas-biogas, sử dụng nhiên liệu diesel làm nhiên liệu mồi lửa cho quá trình cháy động cơ.Nhiên liệu chính là nhiên liệu khí

Thành phần biogas, syngas có các đặc trưng chính được trình bày trên Bảng 2.3.Bảng 2.3 Các thông số đặc trưng của nhiên liệu

Nhiên liệu Thành phần (mol/mol)

M(g/

mol)

mkk/mnl(g/g)

Vkk/Vnl(l/l)

10,246

12,03

-2.2.1.2 Thiết lập mô hình

Tính toán mô phỏng được thực hiện nhờ phần mềm Ansys Fluent 2021R1.Không gian tính toán gồm buồng cháy và xilanh động cơ có thể tích thay đổi theo gócquay trục khuỷu Buồng cháy động cơ có dạng omega Nhiên liệu khí được phun trựctiếp vào xilanh động cơ thông qua 2 vòi phun có đường kính 6mm Trục các vòi phunnằm trên mặt cắt dọc xy của xilanh còn trục xupap nạp nằm trên mặt cắt dọc yz củaxilanh

Hệ phương trình đối lưu-khuếch tán được khép kín nhờ mô hình rối k-e Khi thayđổi nhiên liệu, chúng ta tính toán lại bảng pdf thông số nhiệt động học Ở đầu vàođường nạp chỉ có không khí nên thành phần hỗn hợp f (fraction volumic) bằng 0 Ởđầu vào các vòi phun chỉ có nhiên liệu nên f=1 Hệ số tương đương cục bộ của hỗnhợp được tính qua thành phần nhiên liệu, oxygen hay tính qua f Hình 1 giới thiệu

buồng cháy, xilanh, cửa nạp, các vòi phun và chia lưới không gian tính toán Nhiênliệu sử dụng trong mô phỏng là syngas, biogas và hỗn hợp của chúng Động cơ chạy ởtốc độ 2000 v/ph, 2400 v/ph và 2800 v/ph Áp suất phun nhiên liệu thay đổi trong từ 3bar đến 5 bar.

Hình 2.1 Chia lưới không gian tính toán và vị trí các vòi phun

2.2.2 Kết quả và bình luận

2.2.2.1 Phân tích cấu phần hệ số tương đương động cơ dual fuel

Khối lượng hỗn hợp nạp vào xilanh trong mỗi chu trình gồm hỗn hợp nhiên liệukhí-không khí được chuẩn bị trước và khối lượng diesel phun mồi Năng lượng củaquá trình cháy dual fuel bao gồm năng lượng do nhiên liệu khí (hỗn hợp hòa trộntrước), nhiên liệu diesel (cháy khuếch tán) sinh ra Năng lượng do nhiên liệu khí tỏa ra

là chính Nhiên liệu diesel chỉ sử dụng để làm tia phun mồi đánh lửa

Hình 2.2 Biến thiên tốc độ bốc hơi của nhiên liệu diesel và khối lượng hỗn hợp trong xilanh theo góc quay trục khuỷuHình 2.2 cho thấy trước khi phun mồi, khối lượng hỗn hợp trong xilanh ổn định.Trong quá trình phun, khối lượng hỗn hợp trong xilanh tăng do nhiên liệu diesel đượccung cấp thêm vào buồng cháy Ngay sau khi phun diesel, nhiên liệu lỏng bốc hơi hòatrộn vào hỗn hợp đã chuẩn bị trước Như vậy chúng ta có thể tách hệ số tương đương

do hỗn hợp nhiên liệu khí sinh ra, hệ số tương đương do nhiên liệu diesel sinh ra và hệsố tương đương tổng quát của hỗn hợp không khí-nhiên liệu trong buồng cháy Tùytheo điều kiện vận hành chúng ta có thể điều chỉnh hệ số tương đương thành phần

2.2.2.2 Diễn biến quá trình cháy dual fuel phun trực tiếp nhiên liệu khí

Khác với trường hợp cung cấp nhiên liệu kiểu hút, trong trường hợp cung cấpnhiên liệu kiểu phun thì hỗn hợp trong buồng cháy cuối quá trình nén không hoàn toànđồng nhất Bộ phận hỗn hợp về phía xupap nạp nghèo hơn các phần còn lại trongbuồng cháy (Hình 2.3)

Hình 2.3 Đường đồng mức phân bố nhiên liệu – không khí trong buồng đốt tạitại thời điểm 400TK, 3300TK trong trường hợp phun trực tiếp syngas

Khi phun diesel thì một vùng giàu nhiên liệu được hình thành quanh tia phun Dohỗn hợp được chuẩn bị trước nên khi quá trình cháy diễn ra thì màng lửa cũng lan trànnhư động cơ đánh lửa cưỡng bức Tuy nhiên, do khu vực tia phun giàu nhiên liệu nênnhiệt độ cháy thấp hơn vùng hỗn hợp đồng nhất bên ngoài tia phun

Hình 2.4 cho thấy diễn biến quá trình cháy và phát thải NOx Tại thời điểm

3700TK, màng lửa hầu như bao trùm hết buồng cháy omega, thành phần oxy ở khu vựcnày hầu như đã tiêu thụ hết nhưng vẫn còn một bộ phận nhỏ nhiên liệu diesel sát thànhbuồng cháy Tương tự như vậy tại thời điểm 3800TK Kết quả mô phỏng cũng cho thấyvùng hình thành NOx tập trung ở những khu vực có nhiệt độ cao Bộ phận nhiên liệu

không cháy tiếp tục tồn tại trong buồng đến khi kết thúc chu trình (ở thời điểm

4700TK) Điều này cho thấy đối với động cơ dual fuel thì việc vận động xoáy lốc trongbuồng cháy rất quan trọng để nhanh chóng chuyển dịch lượng nhiên liệu diesel đã bốchơi ra các khu vực khác để có đủ oxy đảm bảo cho quá trình cháy

Hình 2.4 Diễn biến quá trình cháy và phát thải NOx tại thời điểm 3700TK, 3800TK và 4700TK

2.2.2.3 Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu và kết thúc phun

Do thành phần hydrogen trong syngas ảnh hưởng lớn đến các tính năng của quátrình cháy và quá trình cung cấp nhiên liệu nên khi nghiên cứu ảnh hưởng của thờiđiểm bắt đầu và kết thúc phun nhóm tác giả bổ sung hydrogen vào hỗn hợp nhiên liệuvới syngas-biogas Khi cố định thời điểm bắt đầu phun, để đạt cùng hệ số tương đươngthì thời điểm kết thúc phun càng sớm khi áp suất phun càng cao Khi thời gian phuntrong kỳ nén giảm thì lượng nhiên liệu cung cấp vào xilanh giảm Hình 2.5a giới thiệubiến thiên khối lượng hỗn hợp khí trong xilanh theo áp suất phun hỗn hợp nhiên liệu40S-30B-30H (40% syngas, 30% biogas và 30% hydrogen theo thể tích) để đạt cùnghệ số tương đương f=0,75 khi kết thúc quá trình phun Thời điểm bắt đầu phun đượccố định tại 1000TK còn thời điểm kết thúc phun thay đổi như trên giản đồ Hình 2.5b.Thời gian phun trong giai đoạn nạp như nhau Khi đó xupap nạp vẫn còn đang mở nênphun nhiên liệu khí không làm thay đổi áp suất trong xilanh Thời gian phun trong giaiđoạn nén ảnh hưởng trực tiếp đến áp suất trong xilanh (tức là ảnh hưởng đến lượnghỗn hợp nạp mới vào xilanh) Chúng ta thấy trong điều kiện cung cấp nhiên liệu đó thìkhối lượng hỗn hợp nạp vào xilanh trước khi phun diesel và sau khi phun diesel đềugiảm khi áp suất phun nhiên liệu khí tăng Khối lượng hỗn hợp nạp vào xilanh trướckhi phun diesel là 1000 mg và 968 mg tương ứng với áp suất phun 3 bar và 8 bar Khốilượng hỗn hợp nạp vào xilanh dù phun ở áp suất nào cũng cao hơn khối lượng hỗn hợpcung cấp nhiên liệu bằng phương pháp hút (896 mg)

Hình 2.5 Biến thiên hỗn hợp khí trước và sau khi phun diesel theo áp suất phunnhiên liệu khí (a), thời điểm bắt đầu phun 1000TK và kết thúc phun thay đổi (b)(n=2400 v/ph, gas=0,75, tong=0,92, hỗn hợp nhiên liệu 40S-30B-30H)

(a) b)

Hình 2.6 Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu và kết thúc phun đến biến thiên ápsuất (a) và tốc độ tỏa nhiệt (b) theo góc quay trục khuỷu (n=2400 v/ph, hỗn hợp nhiênliệu 40S-30B-30H, góc mở vòi phun 1000TK, góc đóng vòi phun thay đổi)

Khối lượng hỗn hợp tăng khi cấp nhiên liệu bằng cách phun trực tiếp làm tăngcông suất động cơ so với phương pháp cung cấp nhiên liệu kiểu hút Hình 2.6 giớithiệu ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu khí đến biến thiên áp suất trong xilanh vàbiến thiên hệ số tỏa nhiệt theo góc quay trục khuỷu khi động cơ dual fuel chạy bằngnhiên liệu 40S-30B-30H Góc bắt đầu phun được cố định ở 1000TK Như trên đã trìnhbày, trong điều kiện phun đó thì khối lượng hỗn hợp nạp vào xilanh giảm khi tăng ápsuất phun Áp suất cực đại của quá trình cháy khi áp suất phun 3 bar, 6 bar và 8 bar đạtlần lượt là 76,68 bar, 71,68 bar và 67,73 bar tương ứng với công suất động cơ11,84kW, 11,55kW và 11,04kW ở tốc độ động cơ 2400 v/ph So với công suất động

cơ khi chạy bằng diesel 12,14kW thì công suất động cơ giảm 2,5% và 9,1% khi cungcấp nhiên liệu bằng phương pháp phun trực tiếp với áp suất phun 3 bar và 8 bar Cùngchế độ vận hành và hỗn hợp nhiên liệu, nếu cung cấp nhiên liệu cho động cơ bằngphương pháp hút thì công suất chỉ đạt 10,52kW, tức giảm 14% so với công suất động

cơ khi chạy bằng diesel

2.2.2.4 Ảnh hưởng của thành phần hỗn hợp nhiên liệu syngas-biogas đến đặc tính động cơ dual fuel syngas-diesel

Trong phần này thành phần nhiên liệu được ký hiệu là xSyB, trong đó x là phầntrăm tính theo thể tích của syngas còn y là phần trăm tính theo thể tích của biogas Khicung cấp nhiên liệu syngas kiểu hút thì công suất động cơ giảm mạnh, một mặt là donhiệt trị của syngas thấp và mặt khác do syngas chiếm chỗ quá lớn trên đường nạp Do

đó để duy trì công suất động cơ khi chuyển sang chạy bằng syngas hay hỗn hợp nhiênliệu chứa thành phần syngas lớn chúng ta cần cung cấp nhiên liệu kiểu phun trực tiếp