nghiên cứu sử dụng syngas cho động cơ đa nhiên liệu diesel syngas biogas

Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu khí trong ĐCĐT, trong đó có nghiên cứu ứng dụng khí tổng hợp sinh khối vào động cơ Diesel cho các máy phát điện cỡ nhỏ có thể giúp khắc phục tình trạng trê

TỔNG QUAN

Vấn đề về năng lượng và môi trường hiện nay

1.1.1 Những vấn đề về môi trường

Tài nguyên và môi trường có vị trí đặt biệt quan trọng đối với con người và sự phát triển của xã hội Hằng ngày chúng ta sử dụng không khí, nước thực phẩm để tồn và sử dụng các nguồn tài nguyên thiên nhiên và môi trường để đáp ứng nhu cầu thiết yếu của cuộc sống Mỗi sự biến đổi tự nhiên, của môi trường đều liên hệ mật thiết đến chúng ta, sự đe dọa nào đối với thiên nhiên, với môi trường cũng chính là đe dọa đối với chúng ta

Trong quá trình sản xuất và sinh hoạt, con người đã và đang thải vào môi trường hàng triệu các chất độc hại có rất nhiều nguyên nhân khác nhau như: do quá trình sản suất công nghiệp thải ra khí độc hại, do quá trình khai thác tài nguyên thiên nhiên, các loại hóa chất sử dụng trong công nghiệp, nông nghiệp do việc sử dụng phương tiện giao thông vận tải gây ra Các phương tiện giao thông vận tải chủ yêu sử dụng nhiên liệu truyền thống như xăng và Diesel Chính vì vậy trong khí thải của động cơ chứa rất nhiều khí độc hại như: NOX, SOX, HC cháy không hoàn toàn, kèm theo những hạt bụi rắn thải vào môi trường không khí làm cho hàm lượng không khí độc hại trong bầu khí quyển ngày càng tăng lên

Bảng 1 1 Bảng thống kê mức độ khí thải của các phương tiện giao thông ở Việt Nam giai đoạn từ 2013 – 2018

Chất ô nhiễm Lượng thải/ mỗi năm

Theo báo cáo quan trắc và phân tích môi trường thì :

+ Nồng độ bụi tại các đường giao thông trong đô thị cao hơn tiêu chuẩn cho phép từ 1,5-3 lần, tại các công trình xây dựng vượt đến 20 lần; tiêu chuẩn cho phép là 0,2mg/m3

+ Ô nhiễm khí CO: Nồng độ trung bình của CO tại các nút giao thông trong đô thị xấp xỉ và có nơi lớn hơn tiêu chuẩn cho phép (TCCP) (5mg/cm3) khoảng 1,5 lần

SVTH : Sĩ Lộc, Tuấn Kiệt, Văn Đạt GVHD : Th.S Hồ Trần Ngọc Anh 5

+ Ô nhiễm khí SO2: ở các nút giao thông chính nồng độ SO2 phát thải ra môi trường đã lớn hơn TCCP (0,3 mg/cm3)

+ Ô nhiễm khí NO2: Hầu hết nồng độ trung bình của NO2 trong không khí tại các đô thị đều nhỏ hơn hoặc xấp xỉ TCCP (0.1 mg/cm3)

+ Ô nhiễm chì: Chủ yếu do phương tiện vận tải dùng xăng pha chì gây ra; hiện nay Việt Nam không dùng xăng pha chì; nên nồng độ chì trong không khí đã nhỏ hơn TCCP (0,005 mg/cm) khoảng 10 lần

Các chất ô nhiễm nêu trên có ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người Những nghiên cứu về ô nhiễm không khí và sức khỏe tại các Châu lục trên thế giới đã chỉ ra các chất ô nhiễm khác nhau có ảnh hưởng khác nhau

+ CO : Khi một người hít phải khí CO vào phổi, khí CO sẽ vào máu kết hợp với sắc tố hồng cầu (hemoglobin), tạo ra chất carboxyhemoglobin, đẩy dưỡng khí là khí oxi ra khỏi hồng cầu Do khí CO có ái lực mạnh gấp 200 lần so với O2 trong sắc tố hồng cầu, nên khí O2 bị loại hết ra ngoài, dẫn tới cơ thể bị thiếu O2 gây chết ngạt rất nhanh + NOx : Hỗn hợp khí NOx có tác hại xấu đến sức khỏe con người, đặc biệt là những người có tiền sử về bệnh hô hấp.Ngoài ra, hỗn hợp khí NOx cũng kết hợp với một số chất khác trong không khí tạo ra khí ozone và các loại tạp chất dạng hạt Khí NOx cũng được biết đến với nguyên nhân gây ra mưa axit gây hại cho cây cối và đất đai Trên đây mới chỉ là những chất khí độc hại chủ yếu trong khí thải ô tô, ngoài ra còn rất nhiều chất khác có hại tới môi trường và con người những chúng chiếm tỷ lệ rất ít + HC : Theo các nghiên cứu y khoa, trong HC có chứa benzen, benzen được phát hiện gây cản trở quá trình sản xuất máu và gây ra bệnh thiếu máu Ngoài ra, benzen còn được coi là một trong những nguyên nhân gây ung thư và còn có thể gây ra bệnh bạch cầu

Với mức độ phát sinh ô nhiễm rất nghiêm trọng do khí thải của phương tiện giao thông vận tải gây ra, nếu ngay từ bây giờ không có những biện pháp hữu hiệu để hạn chế thấp nhất mức độ phát sinh chất ô nhiễm thì trong tương lai không xa chúng ta sẽ phải đối đầu với những điều kiện khắc nghiệt của thiên nhiên tác động như: Trái đất nóng lên, mực nước biển dâng cao, những trận mưa axit Do đó nghiên cứu thay thế nguồn nhiên liệu truyền thống ( xăng, dầu) bằng nguồn nhiên liệu thay thế như dầu mỏ hóa lỏng (LPG), khí thiên nhiên (CNG), khí sinh học (BIOGAS) là rất cần thiết nhằm hạn chế việc phát sinh các chất độc hại Đây là một trong những vấn đề được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm giải quyết, kịp thời ngăn chặn mức độ ô nhiễm của bầu khí quyển Bên cạnh đó khi chúng ta sử dụng nhiên liệu dầu mỏ cho động cơ đốt trong thì sẽ gây ra các hậu quả làm ô nhiễm không khí, làm thủng tầng ôzôn, gây hiệu ứng nhà kính Trong các chất độc hại thì CO, NO, HC do các động cơ thải ra là nguyên nhân chính gây

SVTH : Sĩ Lộc, Tuấn Kiệt, Văn Đạt GVHD : Th.S Hồ Trần Ngọc Anh 6 ô nhiễm bầu không khí, ảnh hưởng đến sức khỏe con người Do đó, con người đứng trước một thách thức lớn là phải có nguồn nhiên liệu thay thế

1.1.2 Thách thức đối với ngành công nghiệp Ô tô

Chất lượng không khí hiện nay trên thế giới bị ô nhiễm đến mức báo động, mà trong đó khí thải của động cơ đốt trong chính là các tác nhân chủ yếu gây nên ô nhiễm không khí Không khí gọi là ô nhiễm khi thành phần của nó bị thay đổi hay khi có hiện diện của những chất lạ gây ra những tác hại mà khoa học chứng minh được hay gây ra sự khó chịu đối với con người Các tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong có thể làm cho cơ thể bị thiếu Oxy, nhức đầu, chóng mặt, buồn nôn, gây viêm, ho, khó thở và làm hủy hoại các tế bào cơ quan hô hấp, mất ngủ, gây ra căn bệnh ung thư máu, gây rối loạn hệ thần kinh, gây ra các bệnh về gan và làm trẻ em chậm phát triển trí tuệ Ngoài ra khí thải động cơ còn làm thay đổi nhiệt độ khí quyển và ảnh hưởng đến môi trường sinh thái Để giải quyết hai vấn đề trên thì đã có không ít nghiên cứu từ các hãng ô tô lớn như Toyota, Honda… Một trong những nghiên cứu được xem là hiệu quả nhất là sử dụng pin nhiên liệu (Fuel Cell) và ô tô lai điện – nhiệt (hybrid) Tuy nhiên do vấn đề về lưu trữ khí hydrogen (H2) nên hiện nay công nghệ pin nhiên liệu vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi Vì vậy việc sử dụng ô tô, xe gắn máy hybrid (lai) nhiệt – điện vừa giúp giảm thiểu lượng khí thải độc hại ra môi trường vừa tiết kiệm nhiêu liệu một cách bền vững

1.1.3 Vấn đề về năng lượng

Hiện nay, tất cả các nước trên thế giới từ các nước tiên tiến đến các nước đang phát triển và chậm phát triển rất đau đầu về vấn đề cạn kiệt nguồn nhiên liệu truyền thống Tình hình nguồn nhiên liệu dầu mỏ hiện nay không ổn định, giá dầu thường thay đổi lớn theo những biến động chính trị, khó dự báo

Hình 1.1 Bảng thống kê mức độ và dự đoán mức tiêu thụ nguồn năng lượng truyền thống giai đoạn 1990-2024

SVTH : Sĩ Lộc, Tuấn Kiệt, Văn Đạt GVHD : Th.S Hồ Trần Ngọc Anh 7 Đặc biệt năm 2004 một sự khủng hoảng dầu mỏ lớn nhất từ trước đến nay, giá dầu tăng đến mức kỷ lục 60 USD/thùng, đến năm 2005 giá dầu lên đến hơn 70 USD/thùng Khi mà nguồn nhiên liệu truyền thống ngày càng dần cạn kiệt thì việc đòi hỏi sử dụng một nguồn năng lượng thay thế lâu dài là vấn đề cần sớm được giải quyết

1.1.3.2 Năng lượng thay thế Ở một thế giới mà sự bất ổn của cả xã hội và thiên nhiên càng ngày càng gia tăng như hiện nay thì vấn đề năng lượng là một vấn đề nóng hổi rất được quan tâm Nguồn năng lượng hóa thạch xưa nay vẫn được coi là chủ chốt đang dần trở nên khan hiếm và cũng là nguyên nhân gây ra nhiều bất động, tranh chấp giữa các quốc gia trên thế giới Trong khi đó theo như các nhà khoa học dự đoán, với tốc độ khai thác và sử dụng nguồn tài nguyên hóa thạch như hiện nay thì trong vòng vài thế kỷ nữa con cháu chúng ta sẽ phải gánh chịu những hậu quả nghiêm trọng về cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch Từ đó, nhu cầu về các nguồn năng lượng thay thế càng trở nên cấp thiết hơn, càng ngày càng có nhiều dự án nghiên cứu năng lượng thay thế được khởi động và phát triển ở khắp nơi trên thế giới Tuy nhiên không phải tất cả chúng đều thích hợp để phát triển trong tương lai

Năng lượng hạt nhân là một loại công nghệ hạt nhân được thiết kế để tách năng lượng có ích từ hạt nhân nguyên tử thông qua các lò phản ứng hạt nhân có kiểm soát Phương pháp duy nhất được sử dụng hiện nay là phân hạch hạt nhân, mặc dù các phương pháp khác có thể bao gồm tổng hợp hạt nhân và phân rã phóng xạ Trong năm 2007, có tới 14% sản lượng điện trên thế giới đến từ năng lượng hạt nhân, trong số đó đối với Hoa Kì, Pháp và Nhật Bản là 56,5% sản lượng điện Trên thế giới hiện nay có khoảng gần 450 lò phản ứng điện hạt nhân hoạt động rải rác trên 31 quốc gia Trong toàn Liên minh châu Âu, năng lượng hạt nhân cung cấp 30% nhu cầu điện Những người ủng hộ năng lượng hạt nhân cho rằng điện hạt nhân là một nguồn năng lượng bền vững, làm giảm lượng khí thải carbon và tăng cường an ninh năng lượng bằng cách giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ Họ cũng nhấn mạnh rằng rủi ro có thể giảm hơn nữa nếu sử dụng các công nghệ mới nhất Tuy nhiên một số nhà phê bình cho rằng điện hạt nhân là nguồn năng lượng nguy hiểm Mặc dù vậy, đối với các nước phương Tây thì nó được nhìn nhận như là một cách khả thi để đạt được sự độc lập năng lượng

Hình 1.2 Nhà máy điện hạt nhân

Khí đốt nén tự nhiên (CNG) là hỗn hợp chất khí cháy được, bao gồm phần lớn là các hydrocarbon (hợp chất hóa học chứa cacbon và hyđrô) Cùng với than đá, dầu mỏ và các khí khác, khí thiên nhiên là nhiên liệu hóa thạch Khí thiên nhiên có thể chứa đến 85% mêtan (CH4) và khoảng 10% êtan (C2H6), và cũng có chứa số lượng nhỏ hơn propan (C3H8), butan (C4H10), pentan (C5H12), và các ankan khác Khí thiên nhiên, thường tìm thấy cùng với các mỏ dầu ở trong vỏ Trái Đất, được khai thác và tinh lọc thành nhiên liệu cung cấp cho khoảng 25% nguồn cung năng lượng thế giới [4] Đây được cho là một giải pháp thay thế phần nào nhiên liệu hóa thạch như xăng, dầu Diesel Một ưu điểm rất lớn nữa là quá trình đốt cháy khí nén sẽ không thải ra khígây hiệu ứng nhà kính, đó là một lợi ích lớn đối với môi trường Ngày nay khí tự nhiên được sử dụng song song với nhiên liệu xăng trên một số dòng xe ô tô

Hình 1.3 Khí nén thiên nhiên CNG đang trở thành xu hướng năng lượng mới cho tương lai

Nhiên liệu syngas

1.2.1 Giới thiệu về nhiên liệu syngas

Khí tổng hợp Syngas là một loại hỗn hợp khí nhiên liệu chứa chủ yếu là Hydro (H2), cacbon monoxit (CO), và nhiều khi cả một chút cacbon dioxit (CO2) Là dạng khí có thể được sản xuất từ quá trình khí hóa sinh khối Khí tổng hợp có mật độ năng lượng thấp và nhiệt trị thấp so với dầu Diesel Gần đây, các nhà nghiên cứu đã có nhiều hoạt động tìm kiếm nhiên liệu thay thế do nguồn nhiên liệu dầu mỏ ngày càng cạn kiệt và giá cả không ổn định Khí tổng hợp được coi là nguồn năng lượng tái tạo cho tương lai vì sự sẵn có của nguyên liệu thô, sinh khối, được sử dụng trong quá trình khí hóa với số lượng khác nhau ở hầu hết mọi nơi trên thế giới

Hình 1.8 Ứng dụng của syngas

Ngoài việc sử dụng cho ĐCĐT trên thế giới Syngas 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 nghiệp amoniac Một ứng dụng khác của Syngas là sản xuất hydro để sử dụng trong các nhà máy lọc dầu và để sản xuất methanol Syngas là nguồn năng lượng tái tạo trong tương lai với tiềm năng sản lượng lớn, đây cũng là nguồn năng lượng tái tạo có độ bền vững cao Vì vậy, việc sử dụng sinh khối để sản xuất Syngas và hóa chất cho phép giảm nhu cầu tiêu thụ các loại nhiên liệu hóa thạch và giảm được các thành phần phát thải độc hại

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 không phản ứng Lượng khí tạo ra phụ thuộc vào nhiệt độ và tính chất của nguồn nguyên liệu cũng như nhiệt độ mà các phản ứng xảy ra Các phản ứng ban đầu xảy ra dưới sự có mặt của ô xy cho ra sản phẩm có cả khí CO và CO2 Các phản ứng xảy ra rất nhanh và kèm theo sự tỏa nhiệt còn là tiền đề để tạo ra các phản ứng tiếp theo Quá trình khí hóa nguyên liệu rắn xảy ra tại nhiệt độ lớn hơn 600°C, tạo ra khí và chất tar dạng nhựa đường Các phản ứng hóa học ban đầu ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình khí hóa và quyết 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 phân hủy tro tạo ra cacbon và các chất khí

1.2.2 Đặc điểm và tính chất

Tính chất vật lý và hóa học của Syngas phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu sản xuất, công nghệ sản xuất và đặc biệt là thành phần các khí đơn chất cấu tạo nên

Bảng 1 2 Tính chất lý hóa của các khí thành phần chính syngas

STT Thông số H2 CO CH4

1 Nhiệt trị thấp (MJ/kg) 121 10.2 50,2

2 Tỷ lệ không khí-nhiên liệu lý thuyết 34,4 2,46 17,2

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 nguồn nguyên 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 những năm sắp tới, nó sẽ giữ vai trò chính để bổ sung nhu cầu năng lượng của thế giới Sử dụng công nghệ tiên tiến như tua bin khí và pin nhiên liệu với Syngas được tạo ra từ kết 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 quả lượng phátthải ô nhiễm thấp hơn nhiều Hơn nữa, nhiên liệu lỏng, khí tạo ra dễ dàng cho quá trình xử lý, vận chuyển và sử dụng làm nhiên liệu cho vận tải Sản phẩm khí đầu 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 lượng nhiệt mà hiện tại đang phải sử dụng các loại nhiên liệu không có khả năng tái tạo như than đá, hoặc một số nhiên liệu phải nhập từ nước ngoài như dầu FO, DO, nhiên liệu khí Như vậy, nếu phế phẩm nông nghiệp (vỏ trấu, lõi ngô) được sử dụng để chuyển đổi

SVTH : Sĩ Lộc, Tuấn Kiệt, Văn Đạt GVHD : Th.S Hồ Trần Ngọc Anh 14 thành năng lượng theo công nghệ mới thì không những khắc phục được sự thiếu hụt về nguồn nhiên liệu hiện nay mà còn hạn chế được ô nhiễm môi trường, ngoài ra còn góp phần đem lại hiệu quả kinh tế cho các doanh nghiệp

Nhược điểm của Syngas chủ yếu là về vấn đề công nghệ khí hóa, ở Việt Nam công nghệ này đã có từ những năm 1975 khi đất nước giải phóng, thời điểm đó cả nước 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 trình làm việc của ĐCĐT Một số nghiên cứu như của tác giả Bùi Thành Trung và Viện Chế tạo máy nông nghiệp Bộ Công thương tiến hành nghiên cứu các mẫu thiết bị khí hóa viên sinh khối để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng từ viên ép sinh khối, nhưng vẫn 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

Ngoài những nhược điểm về công nghệ khí hóa còn vấp phải vấn đề như khả năng lưu trữ, hóa lỏng Syngas, Syngas thường phải được sử dụng ngay sau khi khí hóa 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 vận chuyển để làm nhiên liệu cung cấp cho các phương tiện vận tải sẽ gặp nhiều khó khăn và chi phí cao

Khí hóa là một quá trình công nghệ có thể chuyển đổi bất kỳ nguyên liệu thô (gốc cacbon) nào như than đá thành khí nhiên liệu, còn được gọi là khí tổng hợp Quá trình khí hóa xảy ra trong thiết bị khí hóa, nói chung là một bình có nhiệt độ/ áp suất cao, nơi oxy (hoặc không khí) và hơi nước tiếp xúc trực tiếp với than hoặc nguyên liệu cung cấp khác, gây ra một loạt phản ứng hóa học xảy ra chuyển đổi thành phần nguyên liệu thành khí tổng hợp và tro/ xỉ ( cặn khoáng) Syngas được gọi như vậy vì lịch sử của nó là chất trung gian trong sản xuất khí tự nhiên tổng hợp Được cấu tạo chủ yếu từ các khí không màu, không mùi, rất dễ cháy carbon monoxide (CO) và hydro (H2), khí tổng hợp có nhiều cách sử dụng Khí tổng hợp có thể được chuyển đổi (hoặc chuyển dịch ) thành không gì khác ngoài hydro và carbon dioxide (CO2 ) bằng cách thêm hơi nước và phản ứng trên chất xúc tác trong lò phản ứng chuyển hóa nước-khí Khi hydro bị đốt cháy, nó không tạo ra gì ngoài nhiệt và nước, dẫn đến khả năng tạo ra điện mà không có carbon dioxide trong khí thải Hơn nữa, hydro được tạo ra từ than đá hoặc các nhiên liệu rắn khác có thể được sử dụng để lọc dầu hoặc tạo ra các sản phẩm như amoniac và phân bón Quan trọng hơn, khí tổng hợp được làm giàu hydro có thể được sử dụng để sản xuất xăng và nhiên liệu diesel Các nhà máy đa năng tạo ra nhiều sản phẩm có thể duy nhất với các công nghệ khí hóa Carbon dioxide có thể được thu giữ một cách hiệu quả từ khí

SVTH : Sĩ Lộc, Tuấn Kiệt, Văn Đạt GVHD : Th.S Hồ Trần Ngọc Anh 15 tổng hợp, ngăn chặn sự phát thải khí nhà kính của nó vào khí quyển và cho phép sử dụng nó (chẳng hạn như để thu hồi dầu tăng cường) hoặc lưu trữ an toàn

Khí hoá nguyên liệu sinh khối bằng không khí sẽ tạo ra nhiên liệu có nhiệt trị thấp, chứa khoảng 50% N2 Khí hoá sinh khối bằng ô xy nguyên chất hoặc hơi nước sẽ tạo ra khí sản phẩm có nhiệt trị trung bình Để phản ứng xảy ra hoàn toàn 1 kg sinh khối theo tính toán lý thuyết cần khoảng 4,5 kg không khí, nhưng theo các nghiên cứu đối với phản ứng khí hóa thì lượng không khí cần thiết chỉ khoảng bằng 0,25 lần lượng khí tiêu chuẩn Tức là thông thường để khí hóa 1 kg sinh khối cần khoảng 1,15 kg không khí

1.2.4 Giới thiệu về dây chuyền sản xuất RDF và khí hóa syngas Đầu tiên là bước thu gom chất thải rắn cụ thể như lá cây khô, vỏ trấu, vỏ đậu v.v… Sau đó tiến hành nghiền chất thải rắn bằng máy nghiền để tạo hỗn hợp rác có kích thước nhỏ dễ dàng cho việc kết dính tạo hình viên nén RDF Tiếp theo sau khi nghiền xong chất thải sẽ được đưa vào máy ép ép dưới áp lực lớn để tạo hình cho chất thải, cuối cùng viên nén từ chất thải sẽ được cho vào lò khí hóa để đốt từ đó sẽ tạo ra hôn hợp khí gọi là khí syngas,khí sau khi được tạo ra và đạt yêu cầu sẽ được thu vào túi chứa, chuyển vào máy nén khí để cung cấp cho động cơ Khí này có khả năng vận hành động cơ đốt trong thay thế cho nhiên liệu hóa thạch như xăng, dâu diesel Cuối cùng của dây chuyền sẽ tạo ra điện năng công suất nhỏ từ máy phát điện được dẫn động bằng động cơ sử dụng nhiên liệu khí syngas

1.2.5 Tình hình nghiên cứu khí syngas trong động cơ đốt trong

Xu hướng sử dụng ĐCĐT từ trước đến nay rất đa dạng, nó không những sử dụng cho các phương tiện giao thông đường bộ, đường không, đường thủy mà còn sử dụng trên máy phát điện và máy nông nghiệp

Sự gia tăng nhanh chóng số lượng các phương tiện vận tải và các thiết bị động lực sử dụng ĐCĐT chạy bằng nhiên liệu xăng và diesel đang gây ô nhiễm môi trường trầm trọng và gây nguy cơ cạn kiệt nguồn nhiên liệu này

Nhiên liệu Biogas

Biogas còn được biết với tên gọi khác là khí sinh học, đây là hỗn hợp khí methane (CH4) và một số khí khác hình thành từ quá trình phân hủy của các chất hữu cơ

Hỗn hợp khí Biogas bao gồm: Khí CH4 chiếm 50 – 60%, khí Cacbonic (CO2) chiếm khoảng 30% và một số loại khí như: hơi nước, N2, HS2, H2, O2, CO,… được phân hủy trong môi trường yếm khí sẽ bị phân hủy thành chất hòa tan và chất khí nhờ xúc tác nhiệt độ khoảng từ 20 – 40 độ C

Khí sinh học Biogas được sản xuất bằng cách ủ kín các chất thải hữu cơ trong chăn nuôi, rác thải sinh hoạt, còn trong tự nhiên khí này được sinh ra từ đầm lầy, hồ, ao, giếng nước tù đọng lâu ngày Khí biogas có khả năng tự bắt lửa cực cao, chất dễ cháy nhất trong khí biogas là CH4 nên thường được sử dụng để làm nguồn khí đốt thay thế gas, phục vụ cho nhu cầu nấu nướng và chuyển hóa thành điện năng phục vụ cho đời sống hằng ngày

1.3.2 Cơ chế hình thành các khí sinh học trong hầm Biogas

Các chất hữu cơ được đưa vào hầm, dưới tác dụng của vi sinh vật yếm khí sẽ được phân hủy, sau đó chuyển hóa thành Carbon, Hydro, Oxy rồi chuyển thành khí CH4, CO2, một số hợp chất N, P,… thất thoát Với lượng khí thu được sẽ được đưa vào sử dụng, không chỉ ứng dụng cho gia đình mà còn nhiều ứng dụng khác

Hình 1.9 Cơ chế hình thành các khí sinh học trong hầm Biogas

Theo một số nghiên cứu đã chỉ ra, cơ chế hình thành khí Biogas sẽ được diễn ra theo 2 con đường cụ thể:

• Giai đoạn 1: Giai đoạn acid hoá Xenlulozơ ((C6H10O5)n + nH2O -> 3nCH3COOH) và tạo muối (CH3COOH + NH4OH -> CH3COONH4 + H2O

• Giai đoạn 2: Giai đoạn lên men khí Methane (CH3COONH4 + H2O -> CH4 + CO2 + NH4OH) nhờ sự thủy phân của muối hữu cơ

• Giai đoạn 1: Xảy ra phản ứng acid hoá Xenlulozơ ( (C6H10O5)n + nH2O -> 3nCH3COOH), đồng thời tạo ra CO2 và H2 qua sự thủy phân acid (CH3COOH + 2H2O -> 2CO2 + 4H2)

• Giai đoạn 2: Tổng hợp khí Methane từ phản ứng hóa học giữa CO2 và H2 (CO2 + 4H2 -> CH4 + 2H2O)

1.3.3 Ứng dụng của khí biogas trong thực tiễn

Ngày nay trong sản xuất, sử dụng khí Biogas sẽ, mang lại những lợi ích to lớn trong việc tận dụng nguồn nguyên liệu để phục vụ trong đời sống sinh hoạt hằng ngày Khí sinh học Biogas là một trong những sáng kiến mang lại giá trị vô cùng to lớn cho con người cũng như môi trường sống hiện nay Một số ứng dụng phổ biến của loại khí Biogas trong cuộc sống mà có thể bạn chưa biết Ứng dụng khí Biogas vào sản xuất nguồn năng lượng sạch

Khí sinh học được sử dụng là chất đốt trong trong đời sống sinh hoạt hàng ngày với nhiều mục đích khác nhau như:

• Thắp sáng: Đèn chiếu sáng bằng khí Biogas thân thiện với môi trường

• Đun nấu: Nấu các món ăn bằng bếp có sử dụng khí sinh học

• Chạy động cơ đốt trong: Dùng khí sinh học thay thế cho các loại nguyên liệu như dầu diesel, xăng Theo ước tính với khoảng 1m3 khí sinh học có giá trị năng lượng ngang với 0.6kg dầu hỏa, 0.4 kg dầu diesel, 0.8 lít xăng

• Chuyển hóa thành điện năng dùng cho cuộc sống sinh hoạt hàng ngày:

Theo ước tính để đủ lượng khí đốt và điện năng thắp sáng sử dụng cho cuộc sống sinh hoạt hàng ngày thì mỗi gia đình chỉ cần chăn nuôi quanh năm từ khoảng 5 – 10 con lợn thịt sẽ giúp tiết kiệm được 4 – 5 triệu đồng mỗi năm cho gia đình Với 1m3 Biogas có thể sản xuất ra được 1.25kWh điện sử dụng được cho gia đình 5 thành viên và thắp sáng được bóng đèn 60W trong vòng khoảng 6 giờ liên tục Ứng dụng của khí Biogas trong quá trình tạo điện năng

Dùng khí Biogas để sản xuất ra nguồn năng lượng sạch, được sử dụng để tạo ra nguồn điện:

Tạo ra nguồn điện năng để thắp sáng, tạo nhiên liệu dùng cho động cơ đốt, theo thống kê, số lượng điện năng tạo ra từ 1m3 khí sinh học là 1.5kWh điện Nếu muốn tạo ra nguồn điện thì cần phải sử dụng đến công cụ như: máy phát điện sử dụng đến gas hoặc động cơ đốt trong chạy bằng Biogas

Việc tạo ra điện năng từ khí Biogas sẽ góp phần trong việc tiết kiệm chi phí sinh hoạt cho gia đình

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Đặc tính động cơ dual fuel diesel-syngas

2.2.1 Đặc tính của nhiên liệu syngas

Syngas thu được từ quá trình khí hóa gồm các thành phần CO, H2, CH4, CO2, N2, chất lượng syngas phụ thuộc vào nguồn gốc nguyên liệu và quá trình khí hóa Do đó tốc độ cháy cũng thay đổi và không ổn định Thành phần thể tích của syngas trung bình gồm 13–19% H2, 18–22% CO, 1–5% CH4, 9–12% CO2, còn lại là N2 Nhiệt trị của syngas khoảng 3.47-6.28 MJ/Nm3, chỉ bằng 10% nhiệt trị của khí thiên nhiên, LPG hay xăng dầu Tuy nhiên do tỷ lệ không khí/nhiên liệu (A/F) của syngas trong hỗn hợp cháy hoàn toàn lý thuyết chỉ bằng 1,2 nhỏ hơn rất nhiều so với A/F,9 đối với xăng hoặc A/F,5 đối với diesel nên sự tụt giảm công suất động cơ không tỷ lệ với nhiệt trị nhiên liệu mà liên quan đến sự suy giảm hệ số nạp do trọng lượng riêng thấp Khi chạy bằng syngas công suất động cơ giảm khoảng 15%-20% so với động cơ diesel và giảm 30%-40% so với động cơ xăng Vì vậy, để có thể ứng dụng nhiên liệu khí syngas vào thực tế cần có nghiên cứu giải pháp cải thiện tính năng của động cơ chạy bằng syngas Việc làm

SVTH : Sĩ Lộc, Tuấn Kiệt, Văn Đạt GVHD : Th.S Hồ Trần Ngọc Anh 27 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 thể được xem là giải pháp Hagos và các cộng sự cho thấy hiệu suất nhiệt và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ phun trực tiếp syngas làm giàu CH4 và CNG có thể được cải thiện tương ứng 30,2% và 21,3% trong khi ít có tác động đến các thành phần khí xả CO, NOx và HC Tuy nhiên việc bổ sung làm giàu nhiên liệu syngas bằng biogas có thành phần thay đổi trong phạm vi rộng, không đảm bảo ổn định công suất động cơ, đòi hỏi kỹ thuật điều khiển khiển tự động điều chỉnh thích hợp Việc làm giàu nhiên liệu syngas bằng CH4, CNG hoặc hydrogen có thành phần ổn định thường được sử dụng trong phòng thí nghiệm, hỗn hợp hòa trộn theo tỉ lệ đồng nhất, tuy nhiên nguồn nhiên liệu thành phần khó đảm bảo, nhất là ở các khu vực nông thôn Tỉ lệ không khí/nhiên liệu (A/F) của syngas thấp là một thách thức đối với hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ Khi tỉ lệ A/F bé thì thời gian phun kéo dài khiến cho nhiên liệu cung cấp cho chu trình không được hút hoàn toàn vào xi lanh vào cuối kỳ nạp Điều này khiến cho hệ số tương đương của động cơ không thể đạt được giá trị cháy hoàn toàn lý thuyết, nhất là khi động cơ chạy ở tốc độ cao Sự tích lũy của nhiên liệu trên đường nạp ở chu kỳ trước còn làm mất kiểm soát hệ số tương đương của hỗn hợp ở các chu kỳ tiếp theo và gây ra hiện tượng nổ ngược Do đó, cần tìm phương án nạp liệu tối ưu tạo hỗn hợp nhiên liệu đồng nhất, đủ về chất và lượng để nâng cao chất lượng quá trình cháy khi sử dụng syngas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong

2.2.2 Đặc điểm của động cơ dual fuel diesel-syngas Ưu điểm:

Làm giảm thiểu ô nhiễm môi trường thông qua việc giảm phát thải các thành phần như CO, NOx… trong khí xả Khi sử dụng khí syngas vào trong động cơ, các thành phần như carbon monoxide, metan và hydro góp phần lớn trong việc đốt cháy hoàn toàn hoà khí trong xylanh khiến cho nhiên liệu được cháy sạch hơn và ít phát thải ô nhiễm hơn Giảm lượng nhiên liệu hoá thạch sử dụng Giảm tiêu thụ nhiên liệu diesel có thể không chỉ giúp môi trường, mà còn giảm chi phí liên quan đến việc hoạt động của động cơ diesel Khi ta sử dụng một động cơ dual fuel diesel-syngas thì ta có thể chạy ở chế độ cả nhiên liệu khí và diesel hoặc động cơ cũng sẽ hoạt động như một động cơ diesel thông thường khi nhiên liệu khí tổng hợp không có sẵn Ứng dụng khí tổng hợp lên động cơ diesel được coi là một giải pháp khả thi cho vấn đề khí thải và khủng hoảng năng lượng Áp dụng được công nghệ mới Khí tổng hợp phát triển từ sinh khối hay chất thải rắn nông nghiệp là nhiên liệu thay thế đầy hứa hẹn cho động cơ đốt trong trong tương lai

Chi phí sản suất cao và cấu tạo phức tạp Việc sản suất động cơ chạy bằng nhiên liệu kép giữa khí và dầu diesel vẫn còn nhiều khó khăn ở nhiều mặt nên động cơ sử dụng chế dộ nhiên liệu kép này vẫn chưa được sản suất cũng như thương mại hoá, quá trình vận hành còn tốn kém Ngoài ra công nghệ này vẫn chưa được phổ biến trên thế giới nên việc nghiên cứu vẫn còn ít và chưa đạt được nhiều thành tựu to lớn

Vấn đề lưu trữ và vận chuyển Vấn đề lưu giữ là một trong những vấn đề đang gây ra sự khó khăn và cản trở nhất định cho các nhà nghiên cứu do chưa tìm được phương pháp để lưu giữ tối ưu Việc vận chuyển cũng tạo ta một số khó khăn do trong syngas có thành phần H2 dễ gây ra cháy nổ hoả hoạn, để vận chuyển được an toàn thì phải sử dụng những công nghệ tân tiến để đảm bảo

Thành phần khí tổng hợp không đồng nhất, thành phần của khí tổng hợp thay đổi dựa trên quá trình chuyển đổi và nguyên liệu, gây ra thách thức trong việc sử dụng khí tổng hợp trong các ứng dụng động cơ diesel nhiên liệu kép

Quá trình cháy Động cơ nhiên liệu kép diesel-syngas hoạt động trên chu kỳ diesel Như tên gọi thì chúng ta đoán được rằng sẽ dùng hai loại nhiên liệu để động cơ hoạt động Nhiên liệu khí, là nhiên liệu chính (khí tổng hợp) được nén đầu tiên và sau đó một lượng nhỏ nhiên liệu lỏng được bơm để đốt cháy

Hình 2.1 Động cơ duual fuel syngas-diesel Động cơ nhiên liệu kép diesel-syngas là sự kết hợp của cả động cơ Otto (động cơ xăng và động cơ diesel) Trước hết là khái niệm, chu trình otto là chu kỳ khối lượng không đổi và chu kỳ diesel là chu kỳ áp suất không đổi Bây giờ, những chu kỳ này về mặt lý thuyết là đủ chính xác nhưng trong thực tế chúng trở nên không còn đúng hoàn toàn nữa Để phản ứng hóa học diễn ra trong quá trình đốt, cần có khoảng thời gian nhất định Do đó quá trình đốt cháy không xảy ra ở thể tích không đổi Tương tự, do quá trình đốt cháy không kiểm soát được, quá trình này không diễn ra ở áp suất không đổi Như

SVTH : Sĩ Lộc, Tuấn Kiệt, Văn Đạt GVHD : Th.S Hồ Trần Ngọc Anh 29 vậy chu kỳ kép mà còn được gọi là chu kỳ áp suất giới hạn là một chu trình Otto và diesel kết hợp Động cơ nhiên liệu kép diesel-syngas hoạt động trên nguyên tắc đánh lửa nén Lúc đầu, nhiên liệu không khí được hút vào xylanh động cơ được nén cao trong xylanh Bước tiếp theo là quá trình đánh lửa Nhưng nhiên liệu này (còn được gọi là nhiên liệu khí) không phải là một nhiên liệu đánh lửa nén tốt Do đó một lượng nhỏ diesel (được gọi là nhiên liệu thí điểm) được phun vào, hoạt động như một chất xúc tác cho quá trình đánh lửa Khi nhiên liệu được đốt cháy do sự gia tăng nhiệt độ, toàn bộ hỗn hợp nhiên liệu không khí đốt cháy và đốt cháy nhanh chóng diễn ra Do quá trình đốt cháy nhanh chóng, áp lực bên trong xy lanh tăng lên khiến cho piston di chuyển và tạo ra công suất động cơ

Sự gia tăng đột ngột trong động cơ nhiên liệu kép gây ra vấn đề kích nổ, có thể được kiểm soát bằng cách bơm một lượng nhiên liệu diesel nhất định

Quá trình cháy dual fuel syngas-diesel được chia thành 3 giai đoạn chính

Hình 2.2 Giai đoạn 1 quá trình cháy của động cơ dual fuel Đầu tiên là quá trình tự cháy của nhiên liệu diesel

Hình 2.3 Giai đoạn 2 quá trình cháy của động cơ dual fuel Sau đó nhiên liệu diesel tỏa nhiệt và khởi động quá trình cháy hỗn hợp syngas với không khí quanh tia phun diesel

Hình 2.4 Giai đoạn 3 quá trình cháy của động cơ dual fuel

Cuối cùng quá trình cháy tiếp tục do lan tràn màng lửa trong hỗn hợp nghèo syngas- không khí còn lại Mặc dù động cơ dual fuel có một số ưu điểm so với động cơ diesel truyền thống như hiệu suất cao hơn và mức độ phát thải ô nhiễm nói chung thấp hơn động cơ truyền thống nhưng nó có xu hướng bị kích nổ ở chế độ tải cao Ảnh hưởng của syngas đến phát thải động cơ diesel

Một số nhà nghiên cứu đã tìm hiểu ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu khí tổng hợp đến đặc tính phát thải của động cơ diesel bằng cách thay đổi hàm lượng H2 của khí tổng hợp Sierens và Rosseel đã nghiên cứu các hỗn hợp có thành phần Hydro/syngas thay đổi, họ đã phát hiện ra rằng đối với hỗn hợp syngas có hàm lượng hydro lên tới 20% thì có thể đạt được sự cải thiện trong việc hạn chế phát thải động cơ Ở tỷ lệ nhiên liệu trên không khí không thay đổi, lượng phát thải Nox tăng lên do nhiệt độ của buồng đốt cao lên trong khi lượng phát thải CO và HC giảm Akansu và cộng sự đã nghiên cứu thực nghiệm các đặc tính cháy và phát thải của động cơ diesel khi cho hỗn hợp syngas vào Họ kết luận rằng lượng phát thải Nox thường tăng khi hàm lượng hydro tăng, tuy nhiên nếu sử dụng bộ xúc tác, EGR thì lượng phát thải Nox có thể giảm xuống mức cực thấp trong khi lượng phát thải HC và CO giảm khi hàm lượng hydro tăng lên

Trong nghiên cứu của Magoub cùng các cộng sự, họ đã nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của thành phần khí tổng hợp khác nhau đối với lượng khí thải của động cơ CI nhiên liệu kép hoạt động ở các tốc độ động cơ khác nhau Kết quả của thực nghiệm này cho thấy rằng phát thải CO và CO2 tăng lên khi tăng tốc độ động cơ cho tất cả các chế phẩm khí tổng hợp do tăng nhiệt độ trong xylanh và lượng không khí ở tốc độ động cơ cao hơn Sự gia tăng hàm lượng carbon monoxide cũng được giải thích bởi quá trình đốt cháy không hoàn toàn trong xylanh vì nhiệt độ xylanh trung bình suy giảm do giá trị gia nhiệt thấp hơn của khí tổng hợp Họ đã thấy rằng lượng khí thải NOx tăng lên khi tăng tốc độ động cơ Điều này được cho là do sự gia tăng nhiệt độ đốt trong xylanh và sự sẵn có của nhiều lượng oxy hơn bên trong xylanh tạo điều kiện cho sự hình thành nhiệt của hàm lượng NOx Động cơ phát ra lượng NOx thấp nhất ở tốc độ 3000 vòng/phút cho tất cả các chế phẩm khí tổng hợp Điều này là do không đủ oxy còn lại cho quá trình oxy hóa nhiệt của nitơ do tiêu thụ oxy bên trong buồng đốt vào quá trình oxy hóa carbon thành carbon monoxide Sự giảm nồng độ NOx cũng được cho là do tác dụng pha loãng

SVTH : Sĩ Lộc, Tuấn Kiệt, Văn Đạt GVHD : Th.S Hồ Trần Ngọc Anh 31 của các thành phần nitơ và oxit cacbon của khí tổng hợp và hàm lượng hydro thấp hơn dẫn đến nhiệt độ quá trình cháy trong buồng đốt xylanh thấp hơn Sự suy giảm rõ rệt hơn của phát thải NOx với việc bổ sung khí tổng hợp rõ ràng là do sự sụt giảm nồng độ oxy trong hỗn hợp hoà khí đưa vào

KHÍ HOÁ BIOMASS VÀ THU KHÍ SYNGAS

Các bộ phận trong hệ thống lọc và thu khí syngas

Bơm nước hút nước từ bình “nước tuần hoàn” qua ống nước đi vào bình “cột lọc nước” để lọc tạp chất của syngas rồi tuần hoàn về lại bình “nước tuần hoàn”

Hình 3.2 Bơm nước Thông số kỹ thuật:

Bảng 3 1 Thông số kỹ thuật bơm nước DK15

Lưu lượng nước định mức 2m 3 /giờ

3.2.2 Bình lọc nước tuần hoàn

Hệ thống gồm 3 bình: “Nước tuần hoàn”, “ Cột lọc nước” và “ Ngưng tụ hơi nước” có tác dụng tuần hoàn nước để làm sạch, giảm nhiệt và ngưng tụ hơi nước có trong khí syngas

Bên trong cột lọc nước được gắn búp vòi sen các tấm lưới lọc nhằm tăng hiệu quả làm sạch khí

Hình 3.3 Lưới lọc và búp vòi sen

Trên thân bình “ cột lọc nước” được lắp 3 vòi phun nước áp suất ngay đầu vào của luồng khí syngas đi ra từ lò khí hoá, có tác dụng nhằm giảm nhiệt, loại bỏ hắc ín chứa trong khí syngas

Sau quá trình khí hóa và đánh giá tốt chất lượng syngas, nhóm tiến hành cho khí đi qua hệ thống lọc và đưa vào túi chứa để phục vụ cung cấp cho động cơ đốt trong

Hình 3 5 Syngas qua hệ thống lọc vào túi chứa khí

- Vật liệu: Nhựa tổng hợp

- Thời gian làm đầy túi: 50 phút Túi chứa được thiết kế 02 lớp nhằm bảo vệ trước các vật thể nhọn làm thủng túi chứa trong quá trình thu khí và vận chuyển Ở đầu túi chứa được thiết kế thuận tiện cho việc tháo lắp vào ống đầu ra của hệ thống lọc để tránh rò rỉ khí ra ngoài và đuôi túi có ống nối để nạp vào máy nén khí sau đó sử dụng cho động cơ đốt trong

Thực nghiệm khí hoá RDF và thu khí syngas

Bước 1: Chuẩn bị nguyên liệu RDF trộn với Trấu

Chuẩn bị một khay đựng dùng để đựng RDF và Trấu để cân và trộn lại với nhau theo tỉ lệ: 8 RDF - 2 Trấu Để vào khay và trộn đều Sau khi chuẩn bị xong RDF và Trấu ta trộn lại với nhau

Hình 3 6 Hỗn hợp nhiên liệu RDF và Trấu

Bước 2: Chuẩn bị RDF mồi

Tiến hành mồi RDF bằng khò lửa

Bước 3: Đổ RDF mồi vào lò khí hóa Đổ hỗn hợp rdf mồi vào lò khí hoá

Hình 3.8 Đổ RDF mồi vào lò khí hóa

Bước 4: Cấp nhiên liệu (RDF và trấu) vào lò, khóa chặt nắp lò khí hóa

Sau khi cho nguyên liệu vào lò, ta tiến hành đóng nắp lò và khóa chặt bằng tay quay để tránh rò rỉ khí trong lò ra ngoài

Bước 5: Điều chỉnh lượng gió cấp vào lò

Bật quạt gió, điều chỉnh van cấp gió ở vị trí mở lớn nhất để gió vào với tốc độ lớn giúp cho viên RDF mồi dễ dàng cháy lan ra RDF chính trong buồng cháy của lò

Sau khi đóng nắp lò, mở van cấp khí để hình thành sự cháy trong lò xong ta đợi khoảng

5 phút sau lượng khí syngas tạo ra có thể cháy ổn định và duy trì liên tục Điều chỉnh lưu lượng không khí để đạt chất lượng syngas tốt nhất (ngọn lửa xanh, cháy ổn định)

Hình 3.10 Đốt thử khí syngas sau khí hóa

Bước 6: Cho syngas đi qua hệ thống lọc

Khi syngas đã cháy ổn định thì cho nối ống đầu ra từ lò vào hệ thống lọc syngas để lọc bớt hắc ín và giảm nhiệt độ cho khí đầu ra để dễ dàng lưu trữ trong túi đựng khí

Hình 3.11 Syngas đi qua hệ thống lọc Hắc ín trong syngas đã được lọc khi đi qua bộ lọc:

Hình 3.12 Hắc ín được giữ lại trong hệ thống lọc

Bước 7: Tiến hành thu khí vào túi đựng

Khi syngas đã cháy ổn định và khí syngas thu được từ đầu ra đều và có chất lượng tốt ta tiến hành nạp syngas vào túi chứa nhiên liệu, định kỳ xả tro 30 phút 1 lần

Hình 3.13 Thu khí syngas Nạp khí syngas đầy túi chứa

Vệ sinh hệ thống lọc sau khi thu khí syngas

THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

Đối tượng thử nghiệm

4.1.1 Khái quát về động cơ thực nghiệm

Hình 4.1 Động cơ D12 Động cơ được thiết kế gon gàng đẹp mắt, thân động cơ được đúc nhôm chắc chắn lớp vỏ đẹp, bền được sơn công nghệ tĩnh điện Linh kiện chất lượng cao, bộ chế hoà khí được làm theo công nghệ và thiết kế của Nhật Bản Dễ dàng giật nổ khi khởi động Sản phẩm chất lượng mang thương hiệu uy tín được nhiều người tin dùng

Sử dụng trong lĩnh vực dân dụng: dùng thay thế động cơ để chạy và kéo máy sử dụng trong gia đình và nông nghiệp

Sử dụng trong lĩnh vực công nghiệp: dùng thay thế động cơ để chạy và kéo máy sử dụng trong công nghiệp

• Ưu điểm của động cơ chạy dầu so với động cơ xăng:

- Hiệu suất động cơ Diesel cao hơn so với động cơ xăng

- Giá nhiên liệu dầu Diesel rẻ hơn xăng

- Mức tiêu hao nhiên liệu riêng của động cơ Diesel thấp hơn động cơ xăng

- Dầu Diesel không bốc cháy ở nhiệt độ thường nên ít gây nguy hiểm

- Do không có bộ chế hòa khí và bộ phận đánh lửa nên động cơ Diesel ít hư hỏng vặt

Thông số của động cơ D12

Bảng 4 1 Thông số của động cơ D12

Thông số Giá trị Đơn vị

Loại Xy-lanh đơn nằm ngang, 4 thì làm mát bằng nước

Kiểu buồng đốt Buồng cháy thống nhất Đường kính Xy-lanh (D) 95 mm

Công suất sử dụng (Ne) 8,5755 (11,5) Kw (hp)

Công suất tối đa 8,82 Kw

Hướng quay trục khuỷu Cùng chiều kim đồng hồ

Vị trí công suất Phía bánh đà

Hệ thống khời động Tay qua, khởi động điện

Dụng tích thùng chứa nhiên liệu 4 Lít

Suất tiêu hao nhiên liệu 251,53 g/(kw.h)

Tỉ lệ tiêu thụ dầu ≤ 4,1 g/(kw.h)

Phương pháp làm mát Tản nhiệt hơi

Thể tích nước làm mát 5 Lít

Hệ thống bôi trơn Bôi trơn vung tóe

4.1.2.1 Cải tạo họng nạp Để phục vụ cho thực nghiệm, thiết kế và chế tạo đường cấp Syngas và Biogas cho động cơ cũng như thiết kế lại đường nạp Đường nạp động cơ được cải tiến bằng ống thép Ф34 loại chuyên dụng dành cho các hệ thống cung cấp khí nén vơi ưu điểm là bền Trên đường nạp động cơ nhóm đã thiết kế đường cấp Syngas với giắc nối Ф8 nhằm để

SVTH : Sĩ Lộc, Tuấn Kiệt, Văn Đạt GVHD : Th.S Hồ Trần Ngọc Anh 42 lắp đặt van điện từ, giắc nối nghiêng 30 độ so với đường ống nạp để dòng khí đi vào được dễ dàng và đúng thời điểm nạp của động cơ

Hình 4.2 Thiết kế họng nạp trên động cơ

4.1.2.2 Vòi phun khí ( Van điện từ)

Van điện từ là một loại van được điều khiển bằng các tín hiệu điện từ để điều chỉnh dòng chảy chất lỏng hoặc khí trong hệ thống ống dẫn Van điện từ được thiết kể để mở hoặc đóng dòng chảy của khí Syngas bằng cách điều khiển từ trường được tạo ra bởi cuộn dây điện Khi tín hiệu điện được đưa vào cuộn dây, từ trường được tạo ra và hút van chuyển động đóng hoặc mở lỗ thông gió

Với việc cần 1 tín hiệu điều khiển van điện từ mở đúng thời điểm động cơ nạp nhiên liệu, nhóm đã thiết kế thêm trên động cơ 1 bộ chia cam

Bộ chia cam này có gắn một mâm tiếp điểm để tạo ra tín hiệu đóng ngắt van điện tử thông qua vấu cam khi động cơ hoạt động

Hình 4.3 Vòi phun khí (Van điện từ)

4.1.2.3 Lắp đặt bánh răng cam

Khi động cơ hoạt động, với động cơ 4 kỳ thì động cơ quay vòng tương ứng với 4 kỳ sẽ có một lần phun khí vào kỳ nạp, nhóm đã lắp thêm một bánh răng nhỏ có 14 răng lên buly và một bánh răng lớn có 28 răng phía dưới, 2 bánh răng này được kết nối bằng dây xích

Vì bánh răng lớn có số răng gấp đôi bánh răng nhỏ nên tốc độ của bánh răng lớn sẽ bằng ẵ so với bỏnh răng nhỏ, đồng nghĩa với việc tốc độ bỏnh răng bỏnh răng lớn sẽ bằng ẵ tốc độ của động cơ

Hình 4.4 Lắp đặt bánh răng cam trên động cơ

Trục cam này sẽ được lắp trên bánh răng 28 răng, khi bánh răng được dẫn động thì trục cam này sẽ chuyển động cùng với bánh răng Trên trục cam phụ, Nhóm đã lắp đặt một vòng tròn sắt và nam châm để cảm biến nhận tín hiệu Vòng sắt này được cố dịnh với trục bằng bulong và nam châm được gắn lên đầu bulong

Hình 4.5 Trục tín hiệu và nam châm Để chỉnh chính xác thời điểm nhận tín hiệu tương ứng với kỳ nạp trên động cơ Nhóm tiến hành tháo nắp xupap để quán sát Quay bánh đà cho đến khi cò mổ của xupap nạp bắt đầu mở xupap, lúc nay sẽ quay vòng tròn trên trục cam sao cho từ trường của nam châm quét qua cảm biến Quan sát bằng mắt khi cò mổ bắt đầu mở trục cam thì lúc này cảm biến cũng nhận tín hiệu từ nam và có thể nhận biết bằng đèn trên cảm biến sáng khi trường nam châm bắt đầu quét qua

Hình 4.6 Hệ thống cảm biến tín hiệu

Sơ đồ hệ thống thực nghiệm

Hình 4.7 Sơ đồ hệ thống thực nghiệm

1-Bình gas syngas-biogas; 2-Van điều áp; 3-Áp kế; 4-Bình trộn khí; 5-Van một chiều; 6-Van khóa; 7-Van điện tử; 8-Máy nén khí; 9-Túi đựng khí; 10-Cảm biến; 11-Nam châm; 12-Puly; 13-Đồng hồ áp suất; 14-Ắc-quy; 15-Hệ thống tải điện; 16-Máy phát điện; 17-Bộ điều khiển; 18-Bộ đo khí xả; 19-Máy đo tốc độ vòng quay

Trong thử nghiệm ta sử dụng khí Biogas từ các bình khí nén với những thành phần khác nhau Các thành phần của khí Biogas như CH4, CO2, N2 được chứa trong các bình khí nén riêng biệt Sau đó, từng khí sẽ được nạp vào buồng hoà trộn để tạo nên một hỗn hợp Biogas, tuỳ theo từng tỉ lệ đã tính toán mà lượng khí và thành phần nạp vào sẽ khác nhau Trước khi được đưa vào động cơ thì hỗn hợp khí Syngas và Biogas sẽ được nén vào một bình đựng khí tùy theo tỷ lệ mong muốn cho thực nghiệm Bình gas hỗn hợp Syngas và Biogas sẽ đi qua van một chiều và đồng hồ điều áp để ổn định áp suất đường khí trước khi đưa vào động cơ, một van điện từ được thiết kế trước đường ống nạp, van điện từ được lấy tín hiệu từ bộ điều khiển, giúp hỗn hợp khí Syngas và Biogas được phun vào đúng thời điểm của kì nạp Một thiết bị đo tốc độ động cơ được lắp vào để đo tốc độ của động cơ thông qua bánh đà Máy đo khí thải được lắp trên đường ống xả của

SVTH : Sĩ Lộc, Tuấn Kiệt, Văn Đạt GVHD : Th.S Hồ Trần Ngọc Anh 45 động cơ để phân tích hàm lượng thành phần khí xả động cơ Máy phát điện được lắp vào bên dưới động cơ và nối với bánh đà thông qua dây cu roa để dẫn động trục roto của máy phát quay Đầu ra của máy phát sẽ được nối với dàn đèn để đánh giá công suất của động cơ.

Các thiết bị sử dụng trong hệ thống thực nghiệm

4.3.1 Thiết bị phân tích khí thải

Sauermann Si-CA 230 là thiết bị phân tích khí thải và khí đốt công nghiệp cầm tay, nhẹ, nhỏ gọn và bền để đo lượng khí thải chính xác Máy phân tích quá trình đốt cháy công nghiệp và thương mại Si-CA 230 2D đi kèm với cảm biến O2 và CO và tùy chọn mở rộng lên tổng cộng 6 cảm biến khí (O2, CO, NO, NO thấp, NO, NO2 thấp,

SO2, SO2 thấp, H2S và CxHy) để giám sát khí thải của động cơ

Máy phân tích đốt cháy Sauermann Si-CA 230 đo Oxy, Carbon Monoxide và tính toán Carbon Dioxide Máy phân tích khí Si-CA 230 đo nhiệt độ, luồng khí và áp suất cần thiết để phân tích hiệu quả đốt cháy

Máy phân tích khí thải Sauermann Si-CA 230 đi kèm với phần mềm quản lý dựa trên PC cộng với cung cấp kết nối không dây với ứng dụng di động Sauermann Combustion miễn phí dành cho Android và iOS Ứng dụng này cho phép các kỹ thuật viên điều khiển máy phân tích Si-CA 230 từ xa, truy cập vào các tính năng bổ sung, xem kết quả đo trong thời gian thực và tùy chỉnh kết quả trước khi xuất ở định dạng họ chọn Si-CA 230 có thể tạo và xuất báo cáo ở định dạng PDF, CSV và XML và lưu trữ cơ sở dữ liệu khách hàng

Hình 4.8 Thiết bị phân tích khí thải

Bảng 4 2 Thông số thiết bị phân tích khí thải

Kích thước màn hình LCD 4,3 inch Độ phân giải màn hình 480 x 272 pixel

Lên đến 6 (O2, CO, NO, NO thấp, NO2, NO2 thấp, SO2, SO2 thấp, CxHy, H2S)

Tối đa đo khí CO2 50.000 ppm (có pha loãng)

Pha loãng khí CO Hỗ trợ

Cảm biến hiệu chuẩn trước có thể thay thế tại hiện trường

Vận tốc khí thải với ống Pitot Hỗ trợ

Lưu trữ đo lường Nội bộ: 2.000 điểm dữ liệu + Điệ n thoại thông minh và PC Phần mềm PC (không dây & USB) Hỗ trợ Ứng dụng điện thoại thông minh (không d ây) Hỗ trợ

4.3.2 Đồng hồ vạn năng Hioki 3280-10F

Công suất của động cơ được xác định bởi công suất điện của máy phát Đồng hồ vạn năng Hioki 3280-10F được sử dụng có nhiệm vụ đo cường độ dòng điện (I) và hiệu điện thế (U) của máy phát điện

Công suất tiêu thụ điện được xác định bởi công thức: P = U.I (W) Đồng hồ được bố trí như hình 4.8 và đặc điểm thông số kỹ thuật được thể hiện ở bảng 4.2

Hình 4.9 Đồng hồ vạn năng Hioki 3280-10F Bảng 4 3 Thông số đồng hộ vạn năng

Thông số kỹ thuật Giá trị đo Đo dòng điện AC (50 đến 60Hz)

42.00 đến 1000 A (lên tới 4200A khi dùng cảm biến vòng linh hoạt CT6280 – phụ kiện tùy chọn), 3 thang đo Đo điện áp DC 420.0 mV đến 600 V, 5 thang đo Đo điện áp AC (50 đến 500 Hz) 4.000 V đến 600 V, 4 thang đo Đo điện trở 420.0 Ω đến 42.00 MΩ, 6 thang đo

Kiểm tra thông mạch Còi báo tại ngưỡng ≤ (50 Ω ±40 Ω)

Giữ giá trị đo, tự động tắt nguồn, chịu được va chạm khi rơi từ độ cao 1m; chống bụi và nước theo tiêu chuẩn IP40

Màn hình LCD Max 4199 digits

Nguồn Pin Lithium (CR2032) x1 Đường kính càng kẹp dây φ 33 mm

Kích thước W57 mm x H175 mm x D16 mm ; Trọng lượng: 100g

Máy đo tốc độ động cơ trong quá trình thực nghiệm là máy đo tốc độ kỹ thuật số AR926 Máy đo tốc độ (RPM) là một dụng cụ đo tốc độ quay bánh đà của động cơ Thiết bị thường hiển thị số vòng quay trên phút (RPM) trên màn hình kỹ thuật số

Hình 4.10 Máy đo tốc độ Bảng 4.4 Thông số máy đo tốc độ

Phạm vi đo 2.5~99999RPM Độ phân giải tốc độ quay 0,1RPM (2,5~999,9RPM)

Khoảng cách đo 50mm ~ 500mm Độ chính xác ±(0,05%+1 chữ số )

Thời gian lấy mẫu 0,8 giây (Trên 60RPM)

Lưu trữ dữ liệu Hỗ trợ

Kích thước sản phẩm 150*56*31mm

Lựa chọn phạm vi Tự động

Chỉ báo pin Hỗ trợ

Quá trình thực nghiệm sử dụng hệ thống tải điện gồm 10 bóng đèn 60W được mắc song song với nhau và bộ công tắc điều khiển đèn được bố trí như hình 4.5

Bộ công tắc điều khiển có nhiệm vụ thay đổi cường độ dòng điện nhằm thay đổi tải tiêu thụ điện của dàn đèn qua đó điều khiển tải đặt lên động cơ

Hình 4.11 Hệ thống tải điện

4.3.5 Đồng hồ điều áp Đồng hồ điều áp sử dụng trong quá trình thực nghiệm được xem như một van ổn áp, để ổn định áp suất từ buồng hòa trộn đến van điện từ Được thiết kế 2 đồng hồ để đo áp suất khí chứa trong buồng chứa và áp suất khí ra

Hình 4.12 Đồng hồ điều áp

Quy trình thực nghiệm

4.4.1 Quy trình hình thành hỗn hợp khí biogas+syngas

• Quá trình nạp tạo hỗn hợp khí Biogas Đầu tiên, buồng hòa trộn được làm sạch bằng cách đưa không khí nén vào và thải ra môi trường, thao tác trên được lặp lại nhiều lần, sau đó dùng máy hút chân không để hút hết không khí ra ngoài để đảm bảo không còn tạp chất khí ở trong buồng Sau khi làm sạch, từng thành phần khí (CH4,CO2, N2, ) được nạp vào buồng hòa trộn có thể tích 6.75 lít theo tỉ lệ: 70% CH4 – 20% CO2 – 10% N2

Bảng 4.5 Tỷ lệ hòa trộn biogas

Hình 4.13 Buồng hòa trộn khí

• Quá trình nạp tạo hỗn hợp khí Biogas+Syngas

Biogas sau khi trộn sẽ được đưa vào bình chứa, tiếp theo đó syngas được nén vào bình gas có thể tích 26 lít theo tỉ lệ:

Bảng 4.6 Tỷ lệ hòa trộn syngas-biogas

P (bar) V (lít) P (bar) V (lít) P (bar) V (lít)

Hình 4.14 Nén khí syngas vào bình gas

Bước 1: Cho động cơ nổ máy ở chế độ thuần diesel với mức ga lần lượt là 32% (tương đương với tốc độ 700 vòng/phút), 36% (800v/p), 41% (900v/p), 45% (1000 v/p), 50% (1100v/p) và có tải 0.6kW

Bước 2: Sau khi động cơ chạy ổn định ở mức trên, mở van khí cho hỗn hợp khí đi vào van điện từ, thay đổi đổi áp suất phun và thành phần hỗn hợp khí syngas-biogas đầu vào

Bước 3: Tiến hành đo công suất và khí thải động cơ

Bước 4: Ghi lại thông số đo được và tiến hành so sánh

Sau quá trình đo đạc, ta cắt phụ tải điện và vận hành động cơ ở chế độ không tải, sau đó ngắt hỗn hợp khí Syngas+Biogas vào động cơ bằng cách khóa đường cấp khí Syngas+ Biogas, đồng thời cho động cơ chạy với nhiên liệu diesel ở chế độ không tải thêm khoảng 5÷10 phút để đốt hết khí sản phẩm dư trên đường ống

4.4.3 Tính thời gian phun của hộp điều khiển

Thời gian mở của van điện từ được tính bằng thời gian mở kỳ nạp của động cơ với góc mở sớm đóng muộn lần lượt là 22⁰ và 30⁰ ( tổng số góc quay trục khuỷu của kì nạp là 232⁰)

Thời gian mở kì nạp: 𝑡 = 232

Bảng 4.7 Thời gian mở của van điện từ ne(vòng/phut) Thời gian mở van

Tiêu đề	Nghiên cứu sử dụng syngas cho động cơ đa nhiên liệu diesel-syngas-biogas
Tác giả	Đặng Sĩ Lộc, Võ Đại Tuấn Kiệt, Nguyễn Văn Đạt
Người hướng dẫn	ThS. Hồ Trần Ngọc Anh
Trường học	Đại Học Đà Nẵng
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô
Thể loại	Đồ Án Tốt Nghiệp
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Đà Nẵng

Định dạng
Số trang	75
Dung lượng	1,42 MB