Bài viết này phân tích và đưa ra cái nhìn tổng quan về các hình thức sử dụng khí HHO cho động cơ diesel trên thế giới. Trên cơ sở đó, lựa chọn giải pháp khả thi sử dụng khí HHO cho đội tàu biển đang khai thác của Việt Nam.
GIẢI PHÁP CƠNG NGHỆ KHÍ HHO CHO ĐỘNG CƠ DIESEL THỦY HHO GAS TECHNOLOGY FOR MARINE DIESEL ENGINE TRẦN THẾ NAM*, DƯƠNG PHAN ANH Phòng Quan hệ Quốc tế, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam *Email liên hệ: thenam@vimaru.edu.vn Tóm tắt Ơ nhiễm khơng khí cạn kiệt nguồn nhiên liệu truyền thống sử dụng cho động đốt hai vấn đề lớn giới quan tâm Trước nhu cầu ngày tăng xã hội, nguồn nhiên liệu hóa thạch bị cạn kiệt nhanh chóng Bên cạnh đó, sản phẩm cháy loại nhiên liệu gây vấn đề toàn cầu hiệu ứng nhà kính, suy giảm tầng ozone, mưa axit gây nguy hiểm lớn cho môi trường Một loại nhiên liệu thay không chứa gốc carbon nghiên cứu ứng dụng rộng rãi nhiên liệu hydrogen (khí Brown) Đặc điểm quan trọng nhiên liệu sản phẩm trình đốt cháy nước (H2O), gọi nhiên liệu lý tưởng Các giải pháp công nghệ sử dụng loại hydrogen có tên gọi chung cơng nghệ HHO Bài báo phân tích đưa nhìn tổng quan hình thức sử dụng khí HHO cho động diesel giới Trên sở đó, lựa chọn giải pháp khả thi sử dụng khí HHO cho đội tàu biển khai thác Việt Nam Từ khóa: Khí HHO, giảm thiểu phát thải khí xả, tiết kiệm nhiên liệu Abstract Air pollution and depletionof fossil fuel which is used for internal combustion engines are two sensitive concernsinthe world Facing to the increasing demands of social economy, this fuel source is being quickly withdrawn Besides, the emissionsfrom combustions are causing global problems such as greenhouse effect, ozone depletion, acid rain and dangers to the environment One of alternative fuels that not contain carbon has been studied and widely used can be refered as hydrogen (Brown gas) An important feature is that product of hydrogen burning is only water (H2O), so it is called the ideal clean fuel The technology solutions using hydrogen are collectively and known as HHO technology Based on the analysis of the HHO application methods in the world, the paper would propose the most feasible solution on using HHO technology for the existing Vietnamese fleets Keywords: HHO gas, emissionsreduction, fuel oil saving Đặt vấn đề Tại Việt Nam, lượng hàng hóa chuyên chở vận tải đường thủy nội địa đường biển chiếm khoảng 94% lượng hàng hóa vận chuyển 67% khối lượng vận chuyển hàng năm tính theo tấn-km tỉnh, thành Hiện tại, nước ta có khoảng 2.360 sơng kênh đào với tổng chiều dài 220.000 km, đó, vận tải thủy nội địa có khối lượng vận chuyển lớn tất loại hình vận tải (chiếm 48,3%) Tổng lượng hàng hóa chun chở trung bình hàng năm đường thủy nội địa 250 triệu Tính đến 8/2017, tổng số phương tiện đăng ký với Cục Đường thuỷ nội địa Việt Nam 250.000 [1] Cũng theo số liệu thống kê Cục Hàng hải Việt Nam, đội tàu biển Việt Nam có 1.539 tàu biển (trong tàu vận tải hàng hóa 1.128 tàu) với tổng dung tích 4,8 triệu GT tổng trọng tải khoảng 7,8 triệu DWT [2] Các phương tiện sử dụng nhiên liệu diesel, trình đốt cháy nhiên liệu dẫn tới nhiều phát thải ô nhiễm không khí khác nhau, bao gồm: CO, CO2, SO2, NO, bụi, bồ hóng, Số lượng phương tiện thuỷ nội địa tàu biển trên, ảnh hưởng đến mơi trường khơng khí, trở thành chủ đề nghiên cứu đặc biệt quan tâm thời gian gần Bên cạnh đó, quy định IMO ngày thắt chặt tàu chạy tuyến nước sử dụng lượng hiệu (Ship Energy Efficiency Management Plan - SEEMP) Chính phủ Việt Nam tham gia đầy đủ Phụ lục Công ước MARPOL nhằm giảm ô nhiễm từ tàu biển, đồng thời nỗ lực thực cam kết với quốc tế giảm phát khí thải thơng qua đầu tư sách, đầu tư nghiên cứu ứng dụng, tuyên truyền thay đổi nhận thức người dân việc sử dụng lượng Chương trình mục tiêu quốc gia sử dụng lượng tiết kiệm hiệu giai đoạn 2019-2030 vừa ban hành tạo điều kiện thúc đẩy nghiên cứu ứng dụng hướng đến môi trường xanh bền vững Trong lĩnh vực hàng hải, có nhiều giải pháp đáp ứng quy định kể trên, sử dụng nguồn lượng mới, có khả tái tạo để dần thay nguồn lượng hóa thạch, nghiên cứu hồn thiện q trình cháy, gián tiếp giảm lượng nhiên liệu phát thải khí xả Một giải pháp sử dụng khí HHO, hỗn hợp khí hyđrơ ơxy theo tỷ lệ 2:1 thể tích, 16 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 59 - 8/2019 đưa vào buồng đốt động giúp trình cháy trở nên dễ dàng cháy hoàn toàn Giải pháp chiếm ưu tính sẵn có đánh giá có tính khả thi cao, nhiều nhà khoa học, hãng sản xuất động lớn giới nghiên cứu, thử nghiệm Cơ chế tạo khí HHO Khí HHO hay khí Brown có tên gọi khác hỗn hợp khí giàu hyđrơ (Hydrogen Rich Gas - HRG) khí hydroxygen sản xuất từ nước phương pháp điện phân bắt đầu nghiên cứu sản xuất vào năm 1978 Trong trình này, phân tử nước phân ly cách sử dụng hai điện cực Hình Hình Quá trình điện phân nước tạo HHO [3] Nguyên lý hoạt động bình điện phân sử dụng nguồn điện chiều ắc quy nối với hai điện cực đặt nước Hyđrô xuất điện cực âm (catot) ôxy xuất điện cực dương (anot) Vì vậy, dòng điện qua tách nước thành khí hyđrơ khí ơxy Q trình gồm hai phản ứng xảy hai điện cực: - Phản ứng catot: 2H2O + 2e- → H2 + 2OH- Phản ứng anot: OH- → H2O + 1/2 O2 + 2e- Tổng quát: 2H2O + điện → 2H2 + O2 Oxyhydrogen (HHO) bị cháy đưa đến nhiệt độ tự bốc cháy khoảng 570 0C (ở áp suất khí bình thường) Khi đốt cháy, khí chuyển thành nước giải phóng lượng khoảng 241,8 kJ lượng cho mol H2 bị đốt cháy Ở nhiệt độ áp suất bình thường, cháy nằm khoảng từ 4% đến 95% hydro theo thể tích Lượng lượng giải phóng khơng phụ thuộc vào chế độ đốt cháy Khi đưa vào buồng đốt động cơ, H2 O2 xảy phản ứng cháy: 2H2 + O2 2H2O + Qtỏa nhiệt Nhiệt tạo từ trình cháy H O2 góp phần làm cho nhiên liệu sấy nóng nhanh hơn, khả bay tốt Hơn nữa, hydro có tốc độ cháy cao nhiều so với cacbon nên đóng vai trò chất dẫn cháy, nhờ chất lượng trình cháy xilanh động cải thiện, giảm mức độ phát thải chất độc hại CO, HC khói khí xả động diesel Bên cạnh đó, nhiệt cấp từ q trình cháy H2 O2 góp phần làm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu động cơ, qua giảm mức độ phát thải khí CO2 [10] Ứng dụng công nghệ HHO cho động diesel Công nghệ HHO nghiên cứu ứng dụng rộng rãi động đốt đánh lửa cưỡng bức, chủ yếu cho động tĩnh phương tiện đường Đối với động diesel, khí HHO sử dụng theo hướng chủ yếu sau: - Đưa khí HHO theo đường nạp; - Bố trí vòi phun HHO độc lập; - Hòa trộn HHO với nhiên liệu diesel trước bơm cao áp 3.1.Giải pháp bổ sung vào đường khí nạp Nguyên lý cơng nghệ trình bày Hình Thiết bị sục khí thứ tạo bọt - Bubbler 1) đặt phía thiết bị điện phân nước để cung cấp khí vào hỗn hợp điện phân nước giúp làm tăng hiệu trình điện phân Bong bóng HHO bề mặt nước qua thiết bị sục khí truyền đến khống chế (Flashback arrestor) Thiết bị sục khí thứ hai (Bubbler 2) đặt sau khống chế với mục đích nhằm ngưng tụ nước để động cung cấp với khí HHO tinh khiết Khí HHO đưa vào sau phin lọc khí động vào xi lanh qua đường nạp Thiết bị điện phân tách bọt khí hydro (HHO) làm việc sau động khởi động nhằm đảm bảo an toàn cho làm việc động Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 59 - 8/2019 17 Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống bổ sung HHO vào đường nạp khí [7] Các nghiên cứu cho thấy, việc cấp HHO theo đường nạp động có số đặc điểm sau: - Động hoạt động chế độ tải thấp, việc cung cấp HHO làm tăng cường hiệu suất động tốt động hoạt động chế độ tải cao - Thiết bi ̣sản xuất khí HHO gọn nhẹ có khả lắp đặt, kết nối trực tiếp với hệ thống cung cấp khí nạp cho động - Tuy nhiên, giải pháp gặp phải số khó khăn áp dụng cho động diesel sử dụng Tỷ số khơng khí/nhiên liệu động diesel cần đánh giá lại, kéo theo tính tốn lại lượng khơng khí nạp cần đưa vào động lương nhiên liệu cấp chu trình Bên cạnh đó, việc kiểm sốt tượng tự kích nổ khí HHO q trình nén khó động sử dụng cần có tham gia đánh giá lại hãng sản xuất động Các thiết bị bổ sung khí HHO vào đường nạp khí động diesel sản xuất bán rộng rãi thị trường châu Âu, Mỹ Australia cho số dòng động định chọn lựa theo cơng suất động Ngồi ra, thiết bị sản xuất riêng cho loại động diesel hệ cũ động diesel hệ (sử dụng hệ nhiên liệu kiểu common rail) Một số nhà sản xuất thiết bị bổ sung HHO vào đường nạp khí động diesel như: Global Ecological Solutions (California), Green EnergeTix (Canada), HHO USA (United States), HHO2Europa (Pháp), KG HHO (Bỉ), Hydro Bullet (Hy Lạp) 3.2 Bố trí vòi phun HHO độc lập Hình Thiết bị phun HHO vào buồng đốt động diesel [12] Với giải pháp này, vòi phun HHO chuyên dụng bố trí nắp xi lanh, độc lập với vòi phun nhiên liệu diesel Có hai dạng vòi phun nghiên cứu sử dụng vòi phun áp suất thấp vòi phun áp suất cao Vòi phun áp suất thấp ưu tiên sử dụng HHO đưa vào giai đoạn đầu trình nén, chế gần giống với trường hợp đưa HHO vào đường nạp Nếu đưa HHO vào giai đoạn cuối trình nén (vòi phun áp suất cao), cần tính tốn đánh giá từ khâu thiết kế nhằm đảm bảo q trình cháy diễn hồn tồn, động đạt hiệu suất cao Trong hai trường hợp, giải pháp sử dụng vòi phun độc lập phù hợp động mới, khơng thích hợp cho động lưu hành 3.3 Hòa trộn khí HHO với nhiên liệu trước bơm cao áp Giải pháp xây dựng dựa ưu bong bóng siêu vi chất lỏng Tương tự dạng bong bóng khí khác, bong bóng siêu vi tạo nên dựa định luật Stokes chất lỏng: (1) 18 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 59 - 8/2019 Các nghiên cứu rằng, bong bóng siêu nhỏ với kích thước từ - 100µm bong bóng nano với kích thước từ - 100nm có khả chịu áp suất nén cao, khó bị vỡ so với bong bóng cỡ lớn Trong trường hợp bị vỡ áp suất cao, kích thước siêu nhỏ, không để lại khoảng chân không lớn Dựa đặc điểm này, khí HHO tính tốn hòa trộn với nhiên liệu diesel theo tỷ lệ thích hợp (khoảng 0,2%) thiết bị sục khí đặc biệt Hình tạo nên Hình Thiết bị hòa trộn HHO vào nhiên liệu [8] a Hình dáng bên ngồi b Cấu trúc bên Đây thiết bị làm đồng thau, có đường kính ngồi 20mm chiều dài 34mm Nhiên liệu cấp vào thiết bị điều áp chế phun vòi phun Khí HHO tự hút vào thiết bị nhờ áp suất âm (-) hình thành lớp khí bề mặt dầu xé nhỏ sau bơm ejector Sau đó, khí tách tạo thành bong bóng khí siêu nhỏ, dao động hỗn loạn Các bóng khí tiếp tục phân tách tiết diện tăng đột ngột sau bơm ejector đưa vào động theo sơ đồ Hình Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống bổ sung HHO vào nhiên liệu cấp cho động [8] Cơng trình thử nghiệm việc cấp khí HHO vào đường nhiên liệu động Yanmar Diesel NFD150-e với hệ thống phun nhiên liệu tích áp (commen rail) vòng quay 2000 vòng/phút, góc phun sớm đặt cố định 17oTDC cho thấy [8]: - Mức tiêu thụ nhiên liệu động giảm hòa trộn khí HHO với nhiên liệu (chỉ sử dụng thiết bị hòa trộn nhiên liệu - Mixer I - Hình 4): giảm 1,1% tốc độ tải trung bình 2,7% tải lớn - Mức tiêu thụ nhiên liệu động giảm hòa trộn khí HHO với nhiên liệu (sử dụng hai thiết bị hòa trộn nhiên liệu - Mixer I Mixer II - Hình 4): giảm 3,2% chế độ tải trung bình 6,2% chế độ tồn tải; - Hòa trộn bóng khí nano HHO vào nhiên liệu giúp cải thiện hiệu suất cấp nhiên liệu vào động cơ, nhiệt độ khí xả, khói tiếng ồn động giảm khoảng 1% Kích thước thiết bị hòa trộn HHO vào nhiên liệu nhỏ gọn phù hợp để lắp đặt vào động diesel, đặc biệt động khai thác Hiện nay, giải pháp bổ sung HHO trực tiếp vào đường nhiên liệu ứng dụng dạng động diesel Nhật Bản Đánh giá ứng dụng công nghệ HHO cho động diesel thủy Việt Nam Dựa tổng hợp phân tích cơng nghệ HHO dùng cho động diesel trên, dễ dàng nhận thấy khả sử dụng HHO cho tàu khai thác Việt Nam đáp ứng quy định phát thải khí xả tiết kiệm lượng, giải pháp đưa khí HHO vào đường nhiên liệu khả thi Nhằm mục đích nghiên cứu đánh giá cơng nghệ thực tế, nhóm nghiên cứu Trường Đại học Hàng hải Việt Nam tiến hành triển khai thử nghiệm động diesel thủy HANSHIN 6LH27BSH, động tàu thực tập Sao Biển với thơng số sau: Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 59 - 8/2019 19 Bảng Thông số động tàu Sao Biển Tên thơng số Loại động Đường kính xi lanh Cơng suất định mức Suất tiêu hao nhiên liệu Áp suất cháy cực đại Giá trị HANSHIN 6L27BSH 270 [mm] 700 [ml] 163 [g/ml.h] 65 [kG/cm2] Tên thông số Số xi lanh Hành trình pittơng Vòng quay định mức Tốc độ trung bình pittông Giá trị 400 [mm] 400 [v/phút] 5,33 [m/s] Nguyên lý hoạt động hệ thống bổ sung HHO vào đường nhiên liệu trình bày Hình Hình Hệ thống bổ sung HHO vào đường nạp nhiên liệu động diesel Để đo cách xác hàm lượng khí độc hại khí xả động cơ, thiết bị đo TESTO 350 lựa chọn Đây thiết bị đo vạn năng, đo lúc vài thông số khác như: NOx, SO2, HC, CO,… Hình Thiết bị đo khí độc hại khí xả Các kết thử nghiệm tổng hợp sau: Bảng Kết phân tích khí xả Tên tiêu Stt CO SO2 NO2 (*) Phương pháp thử mg/m3TC mg/m3TC mg/m3TC TCVN 7242:2003 TCVN 5975:1995 TCVN 7172:2002 Kết thử nghiệm TN 1(*) 1504 18,3 66,3 TN 1158 13,0 47,1 TN - Kết thử nghiệm khơng hòa trộn HHO với nhiên liệu; TN2 - Kết thử nghiệm có hòa trộn HHO với nhiên liệu Khơng hòa trộn HHO Có hòa trộn HHO 20 Đơn vị đo Bảng Kết đánh giá mức tiêu thụ nhiên liệu Tổng Lượng nhiên Tốc độ Hành lượng liệu tiêu thụ Thời quay động Tốc độ tàu trình nhiên liệu quy đổi (do gian tiêu thụ sóng gió) (hải lý) (giờ) (v/ph) (hải lý/giờ) (kg) (kg) 10,04 5,2 0,5 309,6 36,95 36,95 (gió cấp 6) 9,0 4,5 0,5 299,8 28,25 30,0 (gió cấp 7) Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Tiêu hao nhiên liệu theo thời gian (kg/giờ) 73,9 60 Số 59 - 8/2019 Nhận xét: - Mức tiêu thụ nhiên liệu giảm 18,8%, phát thải khí xả giảm 23% CO, 29,4% SO2 29% NO2 so với phương pháp cấp nhiên liệu diesel thông thường - Giải pháp hòa trộn khí HHO với nhiên liệu đơn giản, động khai thác không cần phải thay đổi mặt kết cấu, hệ thống cần trang bị thêm thiết bị điện phân nước lắp đặt thêm số van, đường ống; - Thiết bị điện phân nước lắp đặt đường ống cấp nhiên liệu động cơ, hoạt động liên tục động làm việc nên không cần phải sản xuất lưu trữ khí HHO trước sử dụng; - Mức nước tiêu thụ để điện phân tạo khí HHO khơng đáng kể: 01 lít nước trộn với chất phụ gia cho qua thiết bị điện phân tạo 1800 lít khí HHO, tỷ lệ hòa trộn khí HHO nhiên liệu 2:1000, tức lít nhiên liệu cần 0,002 lít khí HHO Kết luận Khí HHO với ưu nguồn nguyên liệu sản xuất tính cải thiện q trình cháy nghiên cứu ứng dụng rộng rãi Nhằm thỏa mãn yêu cầu môi trường sử dụng lượng hiệu ngày trở nên khắt khe cho đội tàu biển khai thác Việt Nam, giải pháp đưa khí HHO theo đường nhiên liệu giải pháp khả thi Tuy có số thử nghiệm tàu cụ thể, để áp dụng rộng rãi, cần có nghiên cứu hoàn thiện thiết kế, lắp đặt thử nghiệm dạng tàu khác TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Website: https://vov.vn/xa-hoi/nguy-co-tai-nan-giao-thong-duong-thuy-do-chua-quan-ly-duocdang-kiem-700360.vov [2] Website: https://vietnamfinance.vn/nam-2018-don-tin-hieu-vui-tu-van-tai-bien-viet-nam20180504224218083.htm [3] Luận án Tiến sỹ Kỹ thuật, “Nghiên cứu thay đổi kỹ thuật động đốt cháy cưỡng sử dụng hỗn hợp xăng - Khí Brown”, Cao Văn Tài, 2015 [4] Utilization Of Brown Gas As A Supplemental Fuel In The Diesel Engine As Pre- Combustion Exhaust Emission Reduction Method, P T Sowba, International Journal of Engineering and Technical Research, 2013 [5] Performance of diesel engine using HHO gas (brown gas), Shishira Varada, internet [6] Generation of oxy-hydrogen gas and its effect on performance of spark ignition engine, N N Patil, IOP Conf Series: Materials Science and Engineering 263, 2017 [7] Optimization of oxyhydrogen gas flow rate as a supplementary fuel incompression ignition combustion engines, Ahmad H Sakhrieh, Department of Mechanical and Industrial Engineering, American University of Ras Al Khaimah, ISSN: 0392-8764 [8] Effect of nano air-bubbles mixed into gas oil on common-raildiesel engine, Yasuhito Nakatake, Shintaro Kisu, Department of Mechanical Engineering, Kurume National College of Technology, Energy 59 (2013) 233-239 [9] Effects of On-board HHO and Water Injection in a Diesel Generator, Rick Cameron, Courses ENG4111 and ENG4112 Research project, October 2012 [10] Thử nghiệm đánh giá khả làm việc mức độ phát thải Động Diesel tàu thủy Khi ứng dụng cơng nghệ hòa trộn HHO với nhiên liệu cấp cho động cơ, Phạm Xuân Dương, Nguyễn Huy Hào, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải, Số 49, tháng 01/2017 [11] MARPOL Convention 73/78, Annex VI, IMO, London [12] Hydrogen-Fueled Internal Combustion Engine: A Review of Technical Feasibility, S K SHARMA, P GOYAL and R K TYAGI, International Journal of Performability Engineering, Vol 11, No 5, September 2015, pp 491-501 [13] Effects on emissions of a diesel engine with premixed HHO, S Liu, School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu University, 2016 Ngày nhận bài: 05/4/2019 Ngày nhận sửa: 02/5/2019 Ngày duyệt đăng: 06/5/2019 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 59 - 8/2019 21 ... thải khí CO2 [10] Ứng dụng cơng nghệ HHO cho động diesel Công nghệ HHO nghiên cứu ứng dụng rộng rãi động đốt đánh lửa cưỡng bức, chủ yếu cho động tĩnh phương tiện đường Đối với động diesel, khí HHO. .. vào động diesel, đặc biệt động khai thác Hiện nay, giải pháp bổ sung HHO trực tiếp vào đường nhiên liệu ứng dụng dạng động diesel Nhật Bản Đánh giá ứng dụng công nghệ HHO cho động diesel thủy. .. phân tích cơng nghệ HHO dùng cho động diesel trên, dễ dàng nhận thấy khả sử dụng HHO cho tàu khai thác Việt Nam đáp ứng quy định phát thải khí xả tiết kiệm lượng, giải pháp đưa khí HHO vào đường