Nghiên cứu tận dụng nhiệt khí thải tạo nhiên liệu giàu hydro để giảm phát thải độc hại cho động cơ xăng

MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Lịch sử nghiên cứu Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu 10 Các luận điểm đóng góp luận văn 11 Phƣơng pháp nghiên cứu 11 Chƣơng TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU HY-ĐRÔ 12 1.1 Đặc điểm phát thải động xăng thành phần phát thải 12 1.1.1 Các yếu tố ảnh hƣởng đến phát thải độc hại 13 Ảnh hƣởng thiết kế động 13 Ảnh hƣởng chế độ hoạt động động 14 1.1.2 Các biện pháp giảm phát thải độc hại 14 Tối ƣu hóa kết cấu 15 Các biện pháp xử lý khí thải 16 Dùng nhiên liệu thay có nồng độ phát thải độc hại thấp 17 1.2 Nhiên liệu hy-đrô phƣơng pháp sản xuất nhiên liệu hy-đrô 20 1.2.1 Đặc điểm nhiên liệu hy-đrô 20 Tính chất vật lý hy-đrô 20 Tính chất cháy hyđro 21 1.2.2 Các phƣơng pháp sản xuất nhiên liệu hy-đrô 25 Điện phân nƣớc (EW) 25 Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu các-bua-hy-đrô với nƣớc (SR) 26 Ô xy-hóa không hoàn toàn nhiên liệu bua hyđro (PO) 26 Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu các- bua- hy-đrô với CO2 27 Kết hợp ô xy hóa không hoàn toàn phản ứng nhiệt hóa nhiên liệu cácbua-hy-đro với nƣớc (ATR) 27 1.3 Phƣơng pháp cung cấp đặc tính động sử dụng nhiên liệu hy-đrô 29 1.3.1 Hy-đrô đƣợc cung cấp từ động 30 Động chạy sử dụng hyđro 30 Động sử dụng nhiên liệu kép hyđro – xăng 34 Động sử dụng nhiên liệu kép hyđro – diesel 38 1.3.2 Hy-đrô đƣợc cung cấp động 41 Chƣơng MÔ HÌNH HOÁ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT HY-ĐRÔ NHỜ BIẾN ĐỔI NHIỆT HOÁ XĂNG VỚI HƠI NƢỚC TẬN DỤNG NHIỆT KHÍ THẢI 43 2.1 Giới thiệu chung 43 2.2 Nhiệt khí thải khả tận dụng 43 2.3 Sơ đồ hệ thống tạo cung cấp hy-đrô động 44 2.3.1 Sơ đồ cấu tạo 44 2.3.2 Nguyên lý làm việc 44 2.4 Các mô hình tính toán 45 2.4.1 Giới thiệu chung 45 2.4.2 Các phản ứng xúc tác biến đổi nhiệt hóa xăng với nƣớc 45 2.4.3 Tốc độ phản ứng 46 2.4.4 Mô hình truyền nhiệt sấy nóng xúc tác 48 2.4.5 Mô hình phản ứng xúc tác tạo nhiên liệu giàu hy-đrô 50 2.4.6 Các điều kiện đầu điều kiện biên 52 2.3 Kết tính toán 53 2.3.1 Ảnh hƣởng tỷ lệ nƣớc/nhiên liệu đến suất tạo hy-đrô 54 2.3.3 Ảnh hƣởng tốc độ không gian đến suất tạo hy-đrô 57 2.3.3 Ảnh hƣởng chiều dài xúc tác đến suất tạo hy-đrô 59 2.4 Kết luận chƣơng 60 Chƣơng THIẾT KẾ BỘ XÚC TÁC 61 3.1 Cơ sở thiết kế 61 3.2 Lựa chọn kích thƣớc 62 3.3 Bản vẽ thiết kế 63 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu riêng Các số liệu kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố công trình khác! Hà Nội, ngày 26 tháng 03 năm 2013 Tác giả Trịnh Xuân Phong DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CO : Khí mô-nô-xít –các-bon CO2 : Khí Đi-ôxit-các-bon CH4 : Khí mê-tan HC : Hyđôcácbon NOX : Các loại ô-xít ni-tơ H2 : Khí hy-đrô HC : Hàm lƣợng hy-đrô-các-bon N2 : Khí Nitơ O2 : Khí Oxy CH : gốc nhiên liệu hoá thạch hy-đrô-các-bua CNG : Nhiên liệu khí thiên nhiên nén LNG : Khí thiên nhiên hoá lỏng LPG : Khí dầu mỏ hoá lỏng EGR : Bộ luân hồi khí thải αz : Góc đánh lửa sớm IMEP :Áp suất thị trung bình có ích BTE :Hiệu suất nhiệt có ích BSF :Suất tiêu hao nhiên liệu có ích ppm :Một phần triệu λ : Hệ số dƣ lƣợng không khí W/F : Tỉ lệ nƣớc-nhiên liệu NTP :Điều kiện nhiệt độ 20 oC, 1at FSC :Suất tiêu hao nhiên liệu BFS :Suất tiêu hao nhiên liệu có ích ESA : Hệ thống đánh lửa điều khiển máy tính DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Tính chất vật lý hy-đrô .21 Bảng 1.2 Tính chất cháy số loại nhiên liệu 21 Bảng 1.3 Ƣu nhƣợc điểm phƣơng pháp sản xuất hy-đrô 29 Bảng 2.1 Dữ liệu động học phản ứng 47 Bảng 2.2 Hằng số cân phản ứng 47 Bảng 2.3 Hằng số hấp thụ thành phần khí 48 Bảng 2.4 Đặc điểm xúc tác 50 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển lƣợng phun nhờ cảm biến ô-xy [15] .15 Hình 1.2 Các phƣơng pháp sản xuất nhiên liệu hy-đrô 25 Hình 1.3 Các phƣơng án cung cấp H2 cho động 30 Hình 1.4 Kết cấu cụm ống hút động nhiên liệu kép .35 Hình 2.1 Các thành phần cân nhiệt 43 Hình 2.2 Mô hình phản ứng nhiệt hóa nhiên liệu với nƣớc 44 Hình 2.3 Mô hình truyền nhiệt sấy nóng xúc tác 49 Hình 2.4 Mặt cắt xúc tác 49 Hình 3.1 Cấu tạo xúc tác 63 Hình 3.2 Cấu tạo luân hồi khí thải .63 Hình 3.3 Cấu tạo xúc tác .64 Hình 3.4 Cấu tạo vỏ xúc tác 64 DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ Đồ thị 1.1 Đặc tính phát thải động xăng 12 Đồ thị 1.2 Ảnh hƣởng λ (αz) tới FSC phát thải 13 Đồ thị 1.3 Ảnh hƣởng EGR tới phát thải động xăng 16 Đồ thị 1.4 Đặc điểm phát thải động xăng trang bị xác tác .17 Đồ thị 1.5 Phạm vi cháy số loại nhiên liệu 22 Đồ thị 1.6 Nhiệt độ tự cháy số loại nhiên liệu [37] 22 Đồ thị 1.7 Tốc độ lửa số hỗn hợp khí 23 Đồ thị 1.8 Năng lƣợng đánh lửa số loại nhiên liệu 24 Đồ thị 1.9 So sánh IMEP thay đổi nhiên liệu phƣơng pháp phun [26] 31 Đồ thị 1.10 So sánh BTE động hy-đrô động xăng .32 Đồ thị 1.11 So sánh mô men động hy-đrô động xăng 32 Đồ thị 1.12 So sánh công suất động hy-đrô động xăng .33 Đồ thị 1.13 So sánh BSFC động H2 chế độ toàn tải [29] 33 Đồ thị 1.14 So sánh mô-men công suất động hy-đrô thay đổi phƣơng pháp cung cấp nhiên liệu 34 Đồ thị 1.15 Sự thay đổi BMEP thay đổi lƣợng hy-đrô cung cấp 35 Đồ thị 1.16 Sự thay đổi BTE thay đổi lƣợng hy-đrô cung cấp 36 Đồ thị 1.17 Đặc tính mô-men theo tốc độ thay đổi lƣợng hy-đrô cung cấp 36 Đồ thị 1.18 SFC động thay đổi hy-đrô cung cấp [42] .37 Đồ thị 1.19 Phát thải động thay đổi lƣợng hy-đrô cung cấp [28] 38 Đồ thị 1.20 áp suất xi-lanh động lƣỡng nhiên liệu thay đổi lƣợng hy-đrô cung cấp 39 Đồ thị 1.21 Hiệu suất nhiệt phát thải động hy-đrô/diesel .39 Đồ thị 1.22 Đặc tính mô men theo tốc độ thay đổi lƣợng hy-đrô cung cấp .40 Đồ thị 1.23 SFC thay đổi lƣợng hy-đrô cung cấp .40 Đồ thị 2.1 Hàm lƣợng CO, H2 H2O sản phẩm W/F khác 54 Đồ thị 2.2 Hiệu biến đổi BXT với W/F khác V=5000/h 55 Đồ thị 2.3 Lƣu lƣợng xăng tiêu thụ lƣu lƣợng hy-đrô tạo kg xăng tiêu thụ với W/F thay đổi V=5000/h 56 Đồ thị 2.4 Năng suất tạo hy -đrô tỷ lệ nƣớc khác với V=5000/h 56 Đồ thị 2.5 Nhiệt lƣợng tiêu thụ để biến đổi kg xăng nhiệt lƣợng BXT hấp thụ với W/F thay đổi khiV=5000/h 57 Đồ thị 2.6 Hàm lƣợng CO, H2 xăng W/F=3,16, tốc độ không gian thay đổi 58 Đồ thị 2.7 Hiệu biến đổi nhiệt hóa xăng BXT W/F=3,16, tốc độ không gian thay đổi 58 Đồ thị 2.9 Hàm lƣợng CO, H2 H2O sản phẩm W/F=3,16 V= 5000/h 59 Đồ thị 2.10 Hiệu biến đổi nhiệt hoá xăng dọc theo chiều dài xúc tác W/F=3.16, V=5000/h 60 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong thời kỳ công nghiệp hóa đại hóa đất nƣớc với lên ngành kinh tế, động đốt ngày giữ vai trò quan trọng đƣợc ứng dụng nhiều lĩnh vực khác nhƣ nông nghiệp, công nghiệp, giao thông vận tải nhƣ nhiều ngành kinh tế khác Sự gia tăng nhanh số lƣợng động đốt sử dụng khiến cho nguồn nhiên liệu ngày cạn kiệt môi trƣờng ngày ô nhiễm khí thải độc hại Chính vấn đề đặt cho nhà nghiên cứu làm để tiết kiệm nhiên liệu giảm đƣợc ô nhiễm khí thải trình sử dụng động Các hƣớng nghiên cứu gần sử dụng nhiên liệu thay hoàn toàn thay phần nhiên liệu truyền thống Ví dụ nhƣ: nhiên liệu LPG, CNG, Hy-đrô, E5, E10 Đây một vấn đề có tầm ảnh hƣởng toàn cầu, liên quan tới an ninh lƣợng quốc gia đảm bảo phát triển bền vững cho nhân loại Trong chƣa tìm đƣợc nguồn nhiên liệu thay cho động truyền thống tối ƣu hoá trình làm việc động nhằm tiết kiệm nhiên liệu chống ô nhiễm môi trƣờng đề tài mang tính cấp thiết hàng đầu ngành động đốt Lịch sử nghiên cứu Có nhiều nhà khoa học nghiên cứu vấn đề tiêu biểu nhƣ Jonathan Nieminen, Faculty of Engineering and Applied Science, University of Ontario Institute of Technology Changwei Ji, College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China Alberto Boretti, University of Ballarat, PO Box 663, Ballarat, 3353 VIC, Australia Hoang Dinh Long, Ha Noi University Sicence and Technology… Các nhà khoa học nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm để tìm hiệu hy-đrô vấn đề cải thiện trình cháy động đốt Nhiên liệu có ƣu điểm cháy nhanh, trị số ốc-tan cao nên cho phép động làm việc tốc độ cao, nhờ mà dễ dàng tăng công suất động Thêm nữa, khí thải động hy-đrô sạch, giới hạn thành phần hỗn hợp để đảm bảo khả cháy tốt rộng nên động làm việc với hỗn hợp loãng, góp phần làm tăng tính kinh tế sử dụng động Tuy nhiên, nhiên liệu hy-đrô có nhƣợc điểm so với nhiên liệu truyền thống nhiệt trị mole thấp nên không thay đổi kết cấu động chuyển từ động chạy xăng diesel sang động chạy hoàn toàn hy-đrô công suất động bị giảm nhiều Thêm nữa, việc sản xuất, vận chuyển tích trữ bảo quản nhiên liệu hy-đrô đủ để thay hoàn toàn nhiên liệu truyền thống khó khăn tốn nhiên liệu có tỷ trọng thấp Chính vậy, nhiều nhà nghiên cứu quan tâm đến việc sử dụng hy-đrô nhƣ thành phần phụ gia cho nhiên liệu truyền thống Với phƣơng pháp này, cần cấp tỷ lệ nhỏ hy-đrô vào động để hòa trộn với nhiên liệu Nhờ đặc tính cháy nhanh, hy-đrô giúp đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu tốt nên giảm đƣợc thành phần độc hại khí thải Vấn đề đặt cần có nguồn cung cấp hy-đrô ổn định tiện lợi xe để động hoạt động liên tục với hỗn hợp nhiên liệu nói Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu Đề hƣớng tới nghiên cứu tạo cung cấp nhiên liệu hy-đrô cho động phƣơng pháp phản ứng xúc tác phần nhiên liệu xăng với nƣớc nhờ nhiệt khí thải động Mục đích đề tài nghiên cứu khả tạo hyđrô phƣơng pháp biến đổi nhiệt hoá nhiên liệu xăng với nƣớc nhờ tận dụng nhiệt khí thải động từ xác định thông số làm việc tối ƣu xúc tác biến đổi nhiệt hoá nhiên liệu phục vụ tính toán thiết kế xúc tác Nội dung luận văn gồm ba phần: Thứ nghiên cứu tính chất nhiên liệu hy-đrô, phƣơng pháp tạo hy-đrô, ảnh hƣởng nhiên liệu hy-đrô tới đặc tính làm việc động đƣợc đƣợc nghiên cứu lý thuyết chứng minh thực nghiệm Thứ hai nghiên cứu mô hình hoá trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng 10 đển biến đổi nhiệt hoá ) tức lƣợng xăng không phản ứng thừa nhiều đƣa vào để tiếp tục đốt cháy để sinh công cho động cơ, nhƣng W/F mà lớn lƣợng nƣớc lại thừa xăng lại để nhiệt hoá Ở lƣợng xăng tiêu thụ 220 0.037 0.036 0.035 0.034 0.033 0.032 0.031 0.030 0.029 0.028 0.027 215 210 205 200 H2/xăng tiêu thụ (mol/kg) Xăng tiêu thụ (kg/h) 195 190 1.9 2.5 3.2 3.8 4.4 Tỷ lệ nước/xăng, W/F (kg/kg) Xăng tiêu thụ (Kg/h) H2/xăng tiêu thụ (mol/kg) đƣợc cấp Nhiệt khí thải chủ yếu dùng để hoá hơi nƣớc 5.1 Đồ thị 2.3 Lƣu lƣợng xăng tiêu thụ lƣu lƣợng hy-đrô tạo kg xăng tiêu thụ với W/F thay đổi V=5000/h Hàm lƣợng H2 muốn tạo để cung cấp cho động chủ yếu nằm nhiên liệu gốc các-bua-hy-đrô nên muốn thu đƣợc nhiều H2 cần phải nhiệt hoá đƣợc nhiều nhiên liệu, muốn tỉ lệ W/F nên 3,16 Tại tỉ lệ lƣợng nƣớc lƣợng nhiệt tối ƣu để nhiệt hoá khối lƣợng xăng nhiều hàm lƣợng H2 thu đƣợc 1kg xăng đạt giá trị lớn 206 mol/kg Tại tỉ lệ H2 (mol/h) lƣợng xăng tiêu thụ 0,032 kg/h 7.6 7.4 7.2 6.8 6.6 6.4 6.2 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 Tỷ lệ nước/xăng, W/F (kg/kg) 5.5 Đồ thị 2.4 Năng suất tạo hy -đrô tỷ lệ nƣớc khác với V=5000/h 56 Đồ thị 2.4 thể suất tạo hy-đrô trình nhiệt hoá nhiên liệu Nhƣ phân tích với tỉ lệ hoà trộn tối ƣu suất tạo hy-đrô đạt cực đại 7,4 mol/h vùng tỉ lệ W/F 3,16 Q (W) -2000 -40 Q/xăng bđ (kJ/kg) -4000 Nhiệt lượng BXT tiêu thụ (W) -20 -6000 -60 -8000 -80 -10000 -100 -12000 -120 -14000 -140 Nhiệt lượng tiêu thụ cho kg nl (kJ/kg) -16000 1.9 2.5 3.2 3.8 4.4 Tỷ lệ nước/xăng, W/F (kg/kg) 5.1 Đồ thị 2.5 Nhiệt lƣợng tiêu thụ để biến đổi kg xăng nhiệt lƣợng BXT hấp thụ với W/F thay đổi khiV=5000/h Đồ thị 2.5 cho thấy lƣợng tiêu thụ xúc tác khoảng 90 đến 130 W để biến đổi kg nhiên liệu cần 10000 đến 14000kJ W/F thay đổi từ 1,9:1 đến 5,1:1 Nhƣ nhiệt khí thải đủ để cung cấp cho xúc tác hoạt động để biển đổi lƣợng nhiên liệu từ 10 đến 20% lƣợng nhiên liệu động tiêu thụ (Với tỉ lệ tối ƣu W/F=3,16 tổng nhiệt lƣợng xúc tác tiêu thụ là: 110W, nhiệt lƣợng để biến đổi 1kg xăng 12000 (kJ/kg)) 2.3.3 Ảnh hưởng tốc độ không gian đến suất tạo hy-đrô Qua kết mô hình hoá cho thấy, với với tốc độ không gian 5000/h, tỉ lệ W/F =3,16 lƣợng hy-đrô thu đƣợc lớn Chọn W/F =3,16 tỉ lệ tối ƣu, lần lƣợt thay đổi tốc độ không gian ta thu đƣợc kết nhƣ sau: Khi V< 5000/h hàm lƣợng thành phần sản phẩm thu đƣợc gần nhƣ Nhƣng tốc độ không gian tăng lên hàm lƣợng chất giảm với tốc độ nhanh không đủ thời gian cho tất phần tử tham gia phản ứng Hàm lƣợng khí hy-đrô thu đƣợc 70%, thành phần khí khác bắt đầu giảm V< 5000/h 57 80 Hàm lượng (%) 70 60 50 40 COd Xăng 30 H2d COw H2w 20 10 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Tốc độ không gian (1/h) COd, H2d hàm lượng khí khô COw H2w thành phần khí có nước Xăng tiêu thụ / xăng cấp vào BXT (%) Đồ thị 2.6 Hàm lƣợng CO, H2 xăng W/F=3,16, tốc độ không gian thay đổi 90 80 70 60 50 40 30 20 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Tốc độ không gian (1/h) Đồ thị 2.7 Hiệu biến đổi nhiệt hóa xăng BXT W/F=3,16, tốc độ không gian thay đổi Tại tốc độ không gian 4000/h tỉ lệ W/F 3,16 lƣợng xăng tham gia phản ứng xúc tác đạt tới 85% lƣợng xăng cấp vào Nhƣ 15% không tham gia phản ứng Nếu tăng tốc độ không gian hiệu biến đổi giảm (25% V=7000/h) 58 Nhƣ tốc độ không gian 5000/h hiệu biến đổi nhiệt hoá xăng đạt có 68% 23% so với tốc độ không gian 4000/h hàm lƣợng phần trăm chất gần giống nhƣ nhƣng với tốc độ không gian 5000/h khối lƣợng hy-đrô thu đƣợc lớn 2.3.3 Ảnh hưởng chiều dài xúc tác đến suất tạo hy-đrô Chọn tỉ lệ W/F =3.16, tốc độ không gian 5000l/h, phần trăm thành phần sản phẩm (đồ thị 2.8) hiệu biến đổi nhiệt hoá xăng (đồ thị 2.9) chiều dài xúc tác đƣợc thể nhƣ sau Thành phần sản phẩm (%) 100 90 80 COd H2d COw H2w H2O 70 60 50 40 30 20 10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Khoảng cách từ cửa vào BXT/chiều dài BXT Đồ thị 2.8 Hàm lƣợng CO, H2 H2O sản phẩm W/F=3,16 V= 5000/h Đồ thị 2.8 cho thấy làm khô đƣợc sản phẩm dọc theo chiều dài xúc tác tỉ lệ H2 thu đƣợc trình nhiệt hoá đạt giá trị ổn định 70% xúc tác dài 5cm, nhƣng với chiều dài nhƣ điều kiện ƣớt tỉ lệ H2 thu đƣợc chƣa lớn (khoảng 35%), tỉ lệ H2 thu đƣợc điều kiện ƣớt lớn (50%) bão hoà chiều dài xúc tác 10cm Và xúc tác dài 10 cm hiệu biến đổi nhiệt hoá xăng với nƣớc đạt gần tới 70% (đồ thị 2.9) Có thể thấy đƣờng cong biểu diễn thành phần sản phẩm biểu diễn tỷ lệ chuyển đổi nhiên liệu theo chiều dài xúc tác thay đổi gần cuối xúc tác cho thấy chiều dài xúc tác có chiều dài 10 cm hợp lý 59 Xăng tiêu thụ / xăng cấp vào BXT (%) 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Khoảng cách từ cửa vào BXT/chiều dài BXT Đồ thị 2.9 Hiệu biến đổi nhiệt hoá xăng dọc theo chiều dài xúc tác W/F=3.16, V=5000/h 2.4 Kết luận chƣơng Mô hình hoá 2D mô xúc tác lắp cho động xe Dream II dung tích 100 cc xác định đƣợc thành phần vị trí xúc tác nhƣ thời gian thời điểm bắt đầu xử lý - Điều kiện tối ƣu cho chuyển đổi nhiên liệu cho hàm lƣợng hy-đrô cao nhiệt độ khí thải xấp xỉ 6000C với tỷ lệ W/F 3,16:1 theo khối lƣợng vận tốc không gian < 5000/h - Trong điều kiện 1gam xăng sản xuất đƣợc 0,206 mol hy-đrô , sản xuất đƣợc 7,4 mol hy-đrô/h - Bộ xúc tác chuyển đổi đƣợc 10% lƣợng nhiên liệu tiêu thụ - Kích thƣớc chọn xúc tác phù hợp với động cho 60 Chƣơng THIẾT KẾ BỘ XÚC TÁC 3.1 Cơ sở thiết kế Chọn động thử nghiệm động Dream II Honda sản xuất, loại động cơ: xăng, 4kỳ, xi-lanh, làm mát không khí, dung tích xi- lanh: 97cm3, tỉ số nén: 9,0:1, công suất tối đa: 4,41 kW/7.000 vòng/phút, mô-men cực đại: 6,03 N.m/5.000 vòng/phút Để tận dụng tối đa nhiệt khí thải, xúc tác cần đƣợc đặt môi trƣờng khí thải, tức đƣợc đặt gọn đƣờng ống thải để khí thải qua bên thành xúc tác đặt gần cửa thải Nhiên liệu nƣớc đƣợc dẫn vào lò phản ứng Khi động làm việc, khí thải từ xi lanh động đƣợc đẩy tới xúc tác, khí thải đƣợc chia làm hai phần phần khoảng 20%-30% tổng lƣu lƣợng khí thải (điều chỉnh tùy theo yêu cầu) qua luân hồi khí thải Chính mà cần phải đặt xúc tác gần cửa thải động để tận dụng nguồn nhiệt khí thải giảm nhiệt môi trƣờng xung quanh khí thải trƣớc sấy nóng xúc tác * Lưu lượng nhiên liệu cần thiết đưa vào xúc tác Qua thực nghiệm xác định đƣợc tỷ lệ luân hồi khí thải thích hợp vào xúc tác khoảng 20% Động xe Dream II có dung tích 100cc chạy tốc độ 7000v/p, bƣớm ga mở hoàn toàn tính toán đo đƣợc lƣu lƣợng khí nạp vào khoảng l/s 4,8 g/s * Nhiệt lượng yêu cầu xúc tác: Dựa phƣơng trình phản ứng biến đổi nhiệt hóa xác định đƣợc nhiệt tối thiểu cần phải cung cấp cho xúc tác để trì trình phản ứng Trong phản ứng trên, phản ứng nhiệt hóa nhiên liệu với CO2 thƣờng xảy đáng kể nhiệt độ > 800oC nên bỏ qua, nhiệt đƣợc tiêu thụ chủ yếu phản ứng SR ATR Dựa vào hai phản ứng thấy nhiệt lƣợng cần để phản ứng biến đổi nhiệt hóa hoàn toàn mol nhiên liệu (114 gam) 1363 kJ, để biến đổi gam nhiên liệu/phút phải cần lƣợng nhiệt để trì phản ứng xúc tác Qxt = 24 kJ/phút 61 - Kiểm tra nhiệt lƣợng khí thải: Nhiệt độ khí thải động xăng cửa thải chế độ toàn tải thƣờng vào khoảng 800oC Giả sử nhiệt độ khí thải trƣớc qua xúc tác 700oC sau qua xúc tác 500oC (bằng nhiệt độ đƣợc trì trình phản ứng biến đổi nhiệt hóa xúc tác) nhiệt lƣợng khí thải cấp cho xúc tác xác định cách sơ nhƣ sau: Qkt  m c p T Trong m lƣu lƣợng khí thải, nhƣ nói trên, m = 4,8 g/s = 0,288 kg/phút, cp tỷ nhiệt khối lƣợng đẳng áp khí thải, xác định theo [37] cp =1,15 kJ/kg.độ, T độ giảm nhiệt độ khí thải sau qua xúc tác, theo phân tích T=200o, đó: Qkt = 0,2881,15200 = 66,24 kJ/phút Nhƣ vậy, nhiệt lƣợng khí thải cung cấp cho xúc tác Qkt lớn nhiệt lƣợng cần để trì phản ứng nhiệt hóa xúc tác Qxt nên kết luận nhiệt khí thải hoàn toàn đủ để trì trình phản ứng lƣu lƣợng nhiên liệu 2-4 g/phút qua xúc tác 3.2 Lựa chọn kích thƣớc Các thông số quan trọng xúc tác là: Vxt Thể tích chứa chất xúc tác (từ chọn đƣờng kính, chiều cao xúc tác) dxt: Đƣờng kính ống khí thải vào xúc tác dnlxt: Đƣờng kính ống nhiên liệu vào xúc tác Db: Đƣờng kính bao xúc tác Bộ xúc tác thiết kế phải đảm bảo yêu cầu đặt để phản ứng xảy tốt Muốn thể tích chứa chất xúc tác phải đủ lớn để tốc độ không gian hốn hợp không vƣợt 5000/h nhƣ tính toán phần mô hình hóa để dòng khí thải nhiên liệu có đủ thời gian tiếp xúc với vật liệu xúc tác để hiệu phản ứng cao Nhƣ vậy, với lƣu lƣợng khí thải nạp vào xúc tác 20% lƣu lƣợng khí thải, xác định đƣợc thể tích nhỏ xúc tác 0,04 lít 62 3.3 Bản vẽ thiết kế Với kích thƣớc lựa chọn trên, xúc tác có cấu tạo nhƣ sau: Hình 3.1 Cấu tạo xúc tác Hình 3.2 Cấu tạo luân hồi khí thải 63 Hình 3.3 Cấu tạo lõi xúc tác Hình 3.4 Cấu tạo vỏ xúc tác 64 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ Để tận dụng ƣu điểm nhiên liệu hy-đrô cháy nhanh, trị số ốc tan cao, giới hạn cháy rộng, khí thải đồng thời khắc phục nhƣợc điểm nhiệt trị mol hy-đrô thấp làm cho việc tích trữ nhiên liệu khó khăn, đề tài nghiên cứu phƣơng pháp cung cấp nhiên liệu giàu hyđro cho động xăng để giảm thành phần khí thải độc hại Đề tài nghiên cứu giải đƣợc vấn đề sau: - Chọn phƣơng án sử dụng hy-đrô nhƣ phụ gia nhiên liệu, tức nhiên liệu hy-đrô đƣợc cấp vào động với tỷ lệ nhỏ so với nhiên liệu xăng - Nghiên cứu mô hình hoá trình tạo nhiên liệu giàu hy-đrô từ nhiên liệu xăng phƣơng pháp phản ứng nhiệt hoá nhiên liệu xăng với nƣớc với tận dụng nhiệt khí thải Tuy đƣợc tính toán lý thuyết, chƣa đƣợc thử nghiệm nhƣng với kết tính đƣợc từ mô hình toán cho thấy hệ thống hoạt động tốt, tạo đƣợc lƣợng đáng kể hydro từ phản ứng xúc tác; hy đạt-đrô 70 % lƣợng hỗn hợp khí khỏi xúc tác Lƣợng hy-đrô đƣợc nạp vào buồng cháy giúp xúc tác trình cháy diễn tốt từ làm giảm thành phần độc hại khí thải động Tuy nhiên kết tính cho thấy có lƣợng nhỏ nƣớc đƣợc sinh sau phản ứng xúc tác chiếm 3,54% lƣợng hỗn hợp khí sinh sau phản ứng xúc tác Để làm mát hỗn hợp khí giàu hy-đrô nhằm tăng lƣợng hy-đrô nạp vào buồng cháy đồng thời ngƣng tụ nƣớc hỗn hợp khí sau phản ứng Đề tài giải đƣợc mục tiêu đề Do thời gian kinh phí nghiên cứu có hạn, nên đề tài dừng lại khâu mô hình hoá, tính toán thiết kế lý thuyết chƣa chế tạo thử nghiệm chƣa đánh giá đƣợc cụ thể suất tạo hy-đrô hệ thống giảm thành phần độc hại có khí thải động Ngoài ra, cấu điều chỉnh khí thải nhiên liệu cấp vào xúc tác hoàn toàn khí nên độ xác không cao Hy vọng thời gian tới đƣợc đầu tƣ tốt để chế tạo xúc tác điều kiện trang thiết bị phục vụ cho việc tiến hành thử nghiệm đƣợc đảm bảo việc hoàn thiện lắp đặt xúc tác xe máy nói riêng làm sở để phát triển 65 đề tài ứng dụng cho phƣơng tiện vận tải sử dụng nhiên liệu xăng nói chung đƣợc thực cách tối ƣu, giúp cải thiện tình trạng ô nhiễm 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] T D'Andrea, P.F Henshaw, D.S.-K Ting, International Journal of Hydrogen Energy, Vol 29, 2004, P.1541-1552 [2] A Tsolakis,A.Megaritis; International Journal of Hydrogen Energy 30 (2005) p731 – 745 [3] S Ahmed, M Krumpelt, Internat J Hydrogen Energy, Vol 26 (2001) p291-301 [4] Tatsuya Takeguchi, Shin-Nosuke Furukawa, Masashi Inoue, Koichi Eguchi, Appl Catal A: Gen 240 (2003) 223-233 [5] Heywood, J B Internal Combustion Engine Fundamentals McGraw Hill, New York (1988) [6] Manuel Pacheco, Jorge Sira, John Kopasz, Applied Catalysis A: General, Vol 250 (2003), p161-175 [7] Jiang Xu, Gilbert F Froment, AIChE Journal 35 (1989) 88-96 [8] D Wolf, M Hohenberger, M Baerns, Ind Eng Chem Res 36 (1997) 33453353 [9] N Wakao, S Kaguei and T Funazkri, Chemical Engineering Science 34 (1979) 325-336 [10] Massound Kaviany Principles of Heat Transfer Wiley & Sons, New York 2002 [11] M J Moran, H N Shapiro Fundamentals of Engineering Thermodynamics John Wiley & Sons, New York 1992 [12] R B Bird, W E Stwewart, E N Lightfoot Transport Phenomena John Wiley & Sons, New York 1960 [13] A J Chapman Heat Transfer Macmillan Publishing Co., New York 1984 [14] E L Cussler Diffusion, Mass Transfer in Fluid Systems Cambridge, New York: Cambridge University Press 1984 [15] B.P Pundir Mechanical Engineering, EngineeringIIT Kanpur 67 Department of Mechanical [16] Emission Control Bosch [17] Phạm Minh Tuấn Khí thải động ô nhiễm môi trường.NXB Khoa học Kỹ thuật , Hà Nội 2006 [18] Phạm Minh Tuấn Asessment of impacts of gasohol E5 and E10 on performance and exhaust emissions of in-usedmotorcycle and car in VietNam, Hanoi University of Technology, 15th Asia Pacific Automotive Engineering Conference [19] PGS.TS Nguyễn Lê Ninh Bài giảng Ôtô môi trường, 2010 [20] Nguyễn Ngọc Anh, Nghiên cứu tận dụng nhiệt khí thải tạo nhiên liệu giàu hy-đrô làm giảm độc hại cho động Diesel, 2008 [21] Robert Schefer, Sandia National Laboratory [22] Sebastian Verhelsta Hydrogen-Fueled Internal Combustion Engines, [23] Hydrogen Fuel Cell Engines and Related Technologies Module 1: Hydrogen used internal cobustion engines." U.S DOE 2001, [24] The hydrogen-fueled internal combustion engine: a technical review [26] H Eichlseder, T Wallner, R Freymann, J Ringler, The potential of hydrogen internal combustion engines in a future mobility scenario, SAE Paper No 2003-01-2267 (2003) [27] Erol KAHRAMAN analysis of a hydrogen fueled internal combustion engine [28] Changwei Ji*, Shuofeng Wang.Effect of hydrogen addition on combustion and emissions performance of a spark ignition gasoline engine at leanconditions.College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China [29] Niculae NEGURESCU Performance comparison betwweeb hydrogen and gasoline fuelled spark ignition engine, THERMAL SCIENCE, Year 2011, Vol 15, No 4, pp 1155-1164 [30] Saravana.Expreriment dvantages of the direct injection of both diesel and hydrogenin dual fuel HY-ĐRÔICE, Anna University,Copyright 2007 SAE 68 international [31] Hoang Dinh Long Numerical study of on-board gasoline steam reforming to produce hydrogen-rich gas for IC engine application, The 5th AUN/SEEDNet Regional Conference on New/Renewable Energy [32] Hydrogen production and storage [33] Ann M De Goote, G F Froment, Partial oxidation of methane over nickel catalyst Appl Catal A 138 (1996) 245-264 [34] Hoàng Đình Long, Chan Siew Hwa Modeling of a catalytic autothermal methane reformer for fuel cell applications Applied Catalysis A: General 228 (2004) p207-216 [35] Hoàng Đình Long, Chan siew Hwa, Ding Ovi Lian A Thermodynamic View of Partial Oxidation, Steam Reforming, and Autothermal Reforming on Methane International Journal of Green Energy Vol 1, No 2, pp 265278, 2004 [36] Steven W.J Sylvestre (2007), A numerical study of an autothermal reformer for the production of hydrogen from iso-octane, Queen’s University, Kingston, Ontario, Canada [37] Hydrogen Fueled I.C Engine [38] N Wakao, S Kaguei and T Funazkri, Chemical Engineering Science 34 (1979) 325-336 [39] Alberto Boretti, Advantages of the direct injection of both diesel and hydrogen in dual fuel HY-ĐRÔICE [40] Prateep Chaisermtawan, Sompop Jarungthammachote, Sathaporn Chuepeng and Thanya Kiatiwat, Gaseous emissions and combustion efficiency analysis hydogen-diesel dual fuel êngin under fuel lean condition, American Journal of Applied Sciences, 2012, (11), 1813-1817 [41] W.B Santoso, A Nur, S Ariyono1, Combustion characteristics of a dieselhydrogen dual fuel engine, National Conference in Mechanical Engineering Research and Postgraduate Studies (2nd NCMER 2010) 69 [42] F Yu¨ksel, M.A Ceviz , Thermal balance of a four stroke SI engine operating onhydrogen as a supplementary fuel, Energy 28 (2003) 1069– 1080 [43] National Aeronautical and Space Administration, Safety Standard for Hydrogen and Hydrogen Systems (NSS 1740.16), 1997 [44] "Hydrogen Fuel Cell Engines and Related Technologies Module 1: Hydrogen Properties." U.S DOE 2001, [45] Nguyễn Thế Trực, Hoàng Đình Long Nghiên cứu nhiệt hoá nhiên liệu với khí thải động xăng [46] S A Zhdanok, G M Vasil’ev,V A Vasetskii, and A V Khavets, Used of plasma reforming of fuel for reduction of the toxicity of diesel engine, Journal of Engineering Physics and Thermophysics, Vol 78, No 1, 2005 70 ... tính phát thải động xăng.[ 15] Ảnh hưởng chế độ hoạt động động * Tỉ lệ không khí/ nhiên liệu (λ) Tỉ lệ không khí/ nhiên liệu ảnh hƣởng vô lớn tới phát thải động cơ, nhiên liệu giàu (λ