NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG HỖN HỢP DẦU DIESEL NƯỚC ĐỂ GIẢM NỒNG ĐỘ NOX TRONG KHÍ XẢ CỦA ĐỘNG CƠ DIESELNGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG HỖN HỢP DẦU DIESEL NƯỚC ĐỂ GIẢM NỒNG ĐỘ NOX TRONG KHÍ XẢ CỦA ĐỘNG CƠ DIESELNGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG HỖN HỢP DẦU DIESEL NƯỚC ĐỂ GIẢM NỒNG ĐỘ NOX TRONG KHÍ XẢ CỦA ĐỘNG CƠ DIESELNGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG HỖN HỢP DẦU DIESEL NƯỚC ĐỂ GIẢM NỒNG ĐỘ NOX TRONG KHÍ XẢ CỦA ĐỘNG CƠ DIESELNGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG HỖN HỢP DẦU DIESEL NƯỚC ĐỂ GIẢM NỒNG ĐỘ NOX TRONG KHÍ XẢ CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL
TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA MÁY TÀU BIỂN THUYẾT MINH ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG HỖN HỢP DẦU DIESEL- NƯỚC ĐỂ GIẢM NỒNG ĐỘ NOX TRONG KHÍ XẢ CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS TRẦN HỒNG HÀ Hải Phòng, tháng 4/2016 MỤC LỤC MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU iv DANH MỤC CÁC BẢNG v DANH MỤC CÁC HÌNH vi MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục đích nghiên cứu đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài Phương pháp phạm vi nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Chương TỔNG QUAN 1.1 Cơ chế hình thành NOx trình cháy động diesel 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2 Các điều luật qui định NOx 1.2 Tác động khí NOx thành phần khác khí thải động diesel tới môi trường 1.2.1 Lý để giảm lượng khí thải NOx 1.2.2 NOx ảnh hưởng tới sức khỏe người 1.2.3 Tác động môi trường 1.2.4 Ảnh hưởng nước đưa vào xi lanh động 1.2.5 Hiện tượng vi nổ 1.2.6 Các hệ thống khác để giới thiệu nước vào buồng đốt 10 1.2.7 So sánh kỹ thuật sử dụng nước phun vào buồng đốt khác 12 Chương THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU NHŨ TƯƠNG ĐỂ GIẢM NOX CHO ĐỘNG CƠ DIESEL 13 2.1 Nghiên cứu tạo nhiên liệu nhũ tương 13 2.1.1 Phương pháp tạo nhiên liệu nhũ tương 13 2.1.2 Ảnh hưởng tốc độ khuấy phân bố kích thước hạt nước 14 2.1.3 Ảnh hưởng nhiệt độ phân bố kích thước hạt nước 15 ii 2.1.5 Kết thực nghiệm thảo luận 21 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 26 TÀI LIỆU THAM KHẢO 26 iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Chữ viết tắt Giải thích NO2 Nitric oxit NO Nitrogen dioxide N2O Nitrous oxit NOx Nitrogen oxide SOx Sunphua oxide COx Carbon oxide HC Hydro carbon CFC Hợp chất hữu bon iv DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng Tên bảng Trang 1.1 Các mức qui định nồng độ NOx 2.1 Tính chất nhiên liệu nặng 20 v DANH MỤC CÁC HÌNH Số hình Tên hình Trang 1.1 Giới hạn NOx với vòng quay động diesel khác 1.2 Hiện tượng vi nổ buồng đốt phun nhiên liệu nhũ tương 10 1.3 Kết mô nồng độ NO phun nước vào buồng đốt 10 1.4 Làm ẩm khơng khí nạp 11 1.5 Hệ thống sử dụng nhiên liệu nhũ tương 12 1.6 Hệ thống sử dụng nhiên liệu nhũ tương 12 2.1 Thiết bị tạo nhũ tương 13 2.2 Kính hiển vi kỹ thuật số VH-5500 14 2.3 Kính thước hạt nước hai tốc độ khuấy khác 14 2.4 Ảnh chụp kính hiển vi mẫu chế độ tốc độ cao 15 2.5 Ảnh chụp kính hiển vi mẫu chế độ tốc độ thấp 15 2.6 Thiết bị hâm nước điện 16 2.7 Nhiên liệu nhũ tương với 5% nước nhiệt độ khác 16 2.8 Nhiên liệu nhũ tương với 30% nước nhiệt độ khác 17 2.9 Nhiên liệu nhũ tương với 5% nước 50C 17 2.10 Nhiên liệu nhũ tương với 5% nước 500C 18 2.11 Dầu nhũ tương 5% tạo 800C 18 2.12 Dầu nhũ tương 30% tạo 50C 18 vi 2.13 Dầu nhũ tương 30% tạo 500C 19 2.14 Dầu nhũ tương 30% tạo 800C 19 2.15 Động diesel YANMAR NF19 20 vii MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Q trình cháy nhiên liệu với khơng khí sinh CO2, H2O N2 Tuy nhiên, không đồng hỗn hợp cách lí tưởng tính chất phức tạp tượng lý hóa diễn q trình cháy nên khí xả động đốt ln có chứa lượng đáng kể chất độc hại oxide nitơ (NO, NO2, N2O, gọi chung NOx), monoxyde carbon (CO), hydrocarbure chưa cháy (HC) hạt rắn, đặc biệt muội Nồng độ chất ô nhiễm khí xả phụ thuộc vào loại động chế độ vận hành NOx họ oxyde nitơ, NO chiếm đại phận NOx hình thành N2 tác dụng với O2 điều kiện nhiệt độ cao (vượt 1100°C) Monoxyde nitơ khơng nguy hiểm mấy, sở để tạo dioxyde nitơ NO2 chất khí màu hồng, có mùi, khứu giác phát nồng độ khơng khí đạt khoảng 0.12 ppm NO2 chất khó hịa tan, theo đường hơ hấp sâu vào phổi gây viêm làm hủy hoại tế bào quan hô hấp Nạn nhân bị ngủ, ho, khó thở Protoxyde nitơ N2O chất sở tạo ozone hạ tầng khí Qua phân tích liệu thay đổi thành phần khơng khí năm gần cho thấy gia tăng đáng ngại chất ô nhiễm Nếu khơng có biện pháp hạn chế gia tăng cách kịp thời, hệ tương lai phải đương đầu với môi trường sống khắc nghiệt Bảo vệ môi trường yêu cầu nước, khu vực mà có ý nghĩa phạm vi tồn cầu Tùy theo điều kiện quốc gia, luật lệ tiêu chuẩn ô nhiễm môi trường áp dụng thời điểm với mức độ khắt khe khác [1] Từ vấn đề thực tế trên, đề tài ảnh hưởng tới mơi trường từ nghiên cứu phương pháp giảm NOx nhiên liệu nhũ tương Mục đích nghiên cứu đề tài Đề tài nghiên cứu phương pháp sử dụng hỗn hợp dầu diesel- nước để giảm nồng độ NOx khí xả động diesel Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài Phạm vi đối tượng nghiên cứu đề tài tập trung nghiên cứu ảnh hưởng tính chất nhiên liệu nhũ tương tới trình cháy động chất nhiễm khí xả động Phương pháp phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu dựa lý thuyết trình hình thành NOx động diesel Thực nghiệm sử dụng nhiên liệu nhũ tương cho động diesel đưa kết để phân tích rút kết luận Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Ý nghĩa khoa học Xây dựng mơ hình tính tốn q trình hình thành NOx yếu tố ảnh hưởng đến q trình động diesel tàu thủy Ý nghĩa thực tiễn Việc nghiên cứu trình hình thành NOx trình cháy động cho biết yếu tố ảnh hưởng tới q trình từ tìm giải pháp giảm thiểu NOx hiệu Đề tài nghiên cứu hiệu sử dụng nhiên liệu nhũ tương trình cháy khả giảm NOx khí xả động với nhiên liệu nhũ tương trạng thái nhiệt độ áp suất khác từ lựa chọn tính chất nhiên liệu nhũ tương cho phù hợp để động làm việc ổn định an tồn hiệu Hình 1.5 Hệ thống sử dụng nhiên liệu nhũ tương [2] 1.2.7 So sánh kỹ thuật sử dụng nước phun vào buồng đốt khác Như hình 1.6 cho thấy suất tiêu hao nhiên liệu sử dụng nhiên liệu nhũ tương thấp so với kỹ thuật khác với mức giảm NOx tương tự Điều cho biết phun nước trực tiếp giảm NOx 50% lớn so với nhiên liệu nhũ tương, suất tiêu hao nhiên liệu có ích lại lớn chút Tuy nhiên phun nước trực tiếp đòi hỏi nhiều thiết bị sử dụng nhiên liệu nhũ tương So với kỹ thuật khác để giảm NOx, nhiên liệu nhũ tương thường sử dụng động diesel với lượng nước thấp khoảng 20% Nếu cho thêm nước nhiều khoảng 20% phải thiết kế lại hệ thống nhiên liệu Hình 1.6 thực hang Wärtsilä cho thấy giảm NOx 20% sử dụng nhiên liệu nhũ tương làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu có ích khoảng 3g/kWh Hình 1.6 Hệ thống sử dụng nhiên liệu nhũ tương [2] 12 Chương THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU NHŨ TƯƠNG ĐỂ GIẢM NOX CHO ĐỘNG CƠ DIESEL 2.1 Nghiên cứu tạo nhiên liệu nhũ tương 2.1.1 Phương pháp tạo nhiên liệu nhũ tương Trong thí nghiệm, nhóm nghiên cứu đổ nước dầu nặng vào cốc thủy tinh 500ml, sau sử dụng máy khuấy để phân tán nước dầu hiển thị hình 2.1, mẫu nhũ tương, tạo cách khuấy 10 phút nhiệt độ phịng (khoảng 150C mơi trường xung quanh) Dùng máy khuấy quấy 10 phút với tỷ lệ % nước dầu khối lượng Quan sát kính hiển vi thể hình 2.2 sau tạo nhũ tương, để mẫu nhũ tương nhiệt độ phòng (khoảng 16 giờ) qua đêm sau sử dụng kính hiển vi kỹ thuật số, VH-5500 để quan sát hạt nước Hình 2.1 Thiết bị tạo nhũ tương 13 Hình 2.2 Kính hiển vi kỹ thuật số VH-5500 2.1.2 Ảnh hưởng tốc độ khuấy phân bố kích thước hạt nước Tốc độ cao 800C Tốc độ thấp 800C Hình 2.3 Kính thước hạt nước hai tốc độ khuấy khác Hai mẫu dầu tạo tốc độ khuấy khác 1000 vòng/phút 800 vòng/phút với hàm lượng nước dầu 30% hâm lên 800C Kết cho thấy hình 2.3, 2.4, 2.5 so sánh hai mẫu cho thấy khác biệt phân bố kích thước hạt nước khuấy tốc độ khuấy khác 14 Khi khuấy tốc độ cao hạt có kích thước nhỏ phân bố (hình 2.4) hạt có kích thước phạm vi từ 4-20 µm có mật độ nhiều so với mẫu dầu tạo tốc độ thấp 800 vịng/phút (hình 2.5) Các hạt nước dầu khuấy với tốc độ cao có xu hướng bị kéo dãn dài bị xé thành hạt có kích thước nhỏ làm nồng độ hạt kích thước nhỏ tăng lên Hình 2.4 Ảnh chụp kính hiển vi mẫu chế độ tốc độ cao Hình 2.5 Ảnh chụp kính hiển vi mẫu chế độ tốc độ thấp 2.1.3 Ảnh hưởng nhiệt độ phân bố kích thước hạt nước 15 Thực nghiệm mẫu dầu với hàm lượng nước 5% 30% dầu hâm nóng thiết bị điện hình 2.6 Nhiệt độ dầu tăng lên mức độ khác 50C; 200C; 350C; 500C; 650C; 800C Hình 2.6 Thiết bị hâm nước điện Hình 2.7 Nhiên liệu nhũ tương với 5% nước nhiệt độ khác 16 Hình 2.8 Nhiên liệu nhũ tương với 30% nước nhiệt độ khác So sánh kết đo kích thước mật độ hạt nước dầu nhiệt độ khác mẫu dầu nhũ tương có 5% hàm lượng nước cho thấy hạt có kích thước từ 5-20 µm nhiệt độ tăng mật độ hạt tăng lên theo Khi nhiệt độ tăng độ nhớt dầu giảm làm cho hạt nước phân bố vào dầu hơn, độ liên kết hạt nước dầu giảm hạt nước dễ dàng phân tách thành hạt có kích thước nhỏ khuấy tốc độ cao Hình 2.9 Nhiên liệu nhũ tương với 5% nước 50C 17 Hình 2.10 Nhiên liệu nhũ tương với 5% nước 500C Hình 2.11 Dầu nhũ tương 5% tạo 800C Hình 2.12 Dầu nhũ tương 30% tạo 50C 18 Hình 2.13 Dầu nhũ tương 30% tạo 500C Hình 2.14 Dầu nhũ tương 30% tạo 800C 2.1.4 Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá hiệu sử dụng nhiên liệu nhũ tương cho động diesel Trong thí nghiệm việc sử dụng nhiên liệu nhũ tương, thí nghiệm tiến hành động diesel nhỏ (động bốn xi lanh 14.0kW/2200rpm YANMAR NF19) hình 2.15 Động dùng để nghiên cứu ảnh hưởng kích thước nước hạt dầu tới trình đốt cháy động Dầu sử dụng dầu nặng trộn 5% nước khuấy trộn 50C 800C, sau hòa trộn với nước thêm chất phụ 19 gia (0.5% ) vào nhiên liệu để tăng tính ổn định dầu nhũ tương sau hòa trộn Dầu nhũ tương trước đưa vào động hâm lên tới 850C Trong thí nghiệm động điều chỉnh chế độ tải khác 25%, 50%, tải 75% vịng quay khơng đổi 2000 rpm Nồng độ chất nhiễm khí xả đo thiết bị phân tích HORIBA PG-250 Hình 2.15 Động diesel YANMAR NF19 Bảng 2.1 Tính chất nhiên liệu nặng Tính chất Giá trị Tỷ trọng[kg/m3] 982 Nhiệt độ［0C］ 74 Độ nhớt [mm2/s] 177.0（50℃） Nhiệt độ đông đặc［0C］ -10 Độ tro [mass%] 0.03 Lưu huỳnh [mass%] 2.30 Hàm lượng nước[%] 0.22 Nhiệt trị [MJ/kg] 42.92 20 N [mg/kg] 0.25 V [mg/kg] 58 Al [mg/kg] Mg [mg/kg] Si [mg/kg] 13 Ca [mg/kg] 18 Fe [mg/kg] 36 Ni [mg/kg] 20 2.1.5 Kết thực nghiệm thảo luận Các thông số chất ô nhiễm CO2, CO, NOx, muội đo khí xả động chế độ tải khác 25%, 50% vòng quay 2200 rpm Nếu không thêm phụ gia vào nhiên liệu nhũ tương, chế độ tải thấp tải trọng cao, động làm việc không ổn định Mặt khác, phụ gia thêm vào, động hoạt động ổn định Hình 2.16 Nồng độ NOx chế độ tải khác Nhiên liệu nhũ tương sử dụng buồng đốt động diesel giảm nồng độ NOx chế độ tải từ 25% đến 75% tải so với nhiên liệu nặng 21 thông thường hai nguyên nhân sau: thứ hạt nước buồng đốt nhiệt độ cao hấp thụ nhiệt bay hơi, thứ hai nhiệt dung riêng khí buồng đốt tăng lên hàm lượng nước tăng Hai tượng dẫn đến hạ thấp nhiệt độ buồng đốt Khi nhiên liệu nước phun điều có nghĩa nhiệt độ vùng hình thành NO giảm Kết hình 2.16 cho thấy 25% tải nồng độ NO sử dụng nhiên liệu nhũ tương 5% giảm từ 40-60 ppm Khi tăng lên đến 50% hàm lượng NO giảm 50-75 ppm Khi tăng tải lên đến 75% hàm lượng nhiên liệu cấp vào động nhiều hơn, lượng nước nhiên liệu cấp vào buồng đốt nhỏ theo tỷ lệ cấp nhiên liệu làm cho mức độ giảm NO thấp so với động chay 50% tải Hình 2.17 Nồng độ CO chế độ tải khác 22 Hình 2.18 Nồng độ CO2 chế độ tải khác Theo kết hình 2.17, 2.18 lượng CO CO2 sinh q trình đốt cháy khơng hồn tồn cacbon oxy theo nhiệt độ cao bên xi lanh Với tăng nồng độ CO cho tất nhiên liệu sử dụng Kết cho thấy tăng hàm lượng nước nhiên liệu làm tăng nồng độ CO Hiện tượng xảy gia tăng nhiệt độ nước bên xi lanh giảm làm chậm lại trình đốt cháy carbon, kết cháy khơng hồn tồn xảy Hình 2.19 Suất tiêu hao nhiên liệu 23 Trong hình 2.19 kết cho thấy quan sát thấy mức 25% 50% tải, suất tiêu hao nhiên liệu cải thiện chế độ tải Do thêm nước vào nhiên liệu làm tăng khối lượng động lực phun lượng khơng khí bị theo khối lượng nhiên liệu tăng lên làm cho trình đốt cháy tối ưu hơn, cải thiện suất tiêu hao nhiên liệu Hình 2.20 Nồng độ muội chế độ tải khác Hình 2.21 Sơ đồ áp suất buồng đốt 25% tải 24 Hình 2.22 Sơ đồ áp suất buồng đốt 50% tải Hình 2.23 Sơ đồ áp suất buồng đốt 75% tải 25 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết Luận Nghiên cứu trình hình thành NOx đưa biện pháp giảm NOx khí xả động diesel tầu thuỷ Với kết đạt kết lại nội dung mà đề tài trình bày: Thí nghiệm sử dụng nhiên liệu nhũ tương cho động diesel chế độ tải khác cho thấy có chất phụ gia động hoạt động ổn đinh nồng độ chất ô nhiễm NOx, SOx, CO2, khí xả giảm Kết cho thấy cụ thể nồng độ NOx giảm 40-75 ppm Kiến nghị ˗ Nghiên cứu rõ trình hình thành NOx yếu tố ảnh hưởng tới trình để giảm thiểu phát thải NOx mơi trường; ˗ Nghiên cứu thiết bị tạo nhũ tương hiệu quả; ˗ Nghiên cứu chất phụ gia để tăng tính ổn định nhiên liệu nhũ tương ˗ Những kết nghiên cứu luận văn có đóng góp lớn cho thực tế giảm nhiễm khí xả động diesel tàu biển Việt Nam TÀI LIỆU THAM KHẢO IMO regulations V A Koryagin, Burning of Water-Fuel Emulsions and Reducing of Harmful Emission (Nedra, St Petersburg, 1995) [in Russian] 26 ... trường từ nghiên cứu phương pháp giảm NOx nhiên liệu nhũ tương Mục đích nghiên cứu đề tài Đề tài nghiên cứu phương pháp sử dụng hỗn hợp dầu diesel- nước để giảm nồng độ NOx khí xả động diesel Đối... 1.2 Tác động khí NOx thành phần khác khí thải động diesel tới môi trường 1.2.1 Lý để giảm lượng khí thải NOx Có ba lý để giảm NOx phát thải từ động đốt Những lý mối nguy hiểm sức khỏe tác động môi... QUẢ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU NHŨ TƯƠNG ĐỂ GIẢM NOX CHO ĐỘNG CƠ DIESEL 2.1 Nghiên cứu tạo nhiên liệu nhũ tương 2.1.1 Phương pháp tạo nhiên liệu nhũ tương Trong thí nghiệm, nhóm nghiên cứu đổ nước dầu