Nhằm giảm ảnh hưởng từ các chất độc hại đối với môi trường và con người, đáp ứng yêu cầu được quy định về khí thải đối với động cơ tàu thủy thì một trong những giải pháp hiệu quả để giảm chất thải bồ hóng là lắp bộ lọc DPF. Trước khi tiến hành lắp đặt lên động cơ và chạy thử nghiệm, tác giả đã tiến hành nghiên cứu mô phỏng động cơ diesel tàu thủy 6S185L-ST có lắp thêm bộ lọc DPF bằng phần mềm AVL Boost để khảo sát và đánh giá.
THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Đánh giá giảm phát thải bồ hóng động diesel tàu thủy sử dụng lọc DPF Evaluating the decrease of soot emission of ship diesel engine using DPF filter Vũ Ngọc Khiêm Trường Đại học Công nghệ Giao thơng vận tải, khiemvungoc@gmail.com Tóm tắt Nhằm giảm ảnh hưởng từ chất độc hại môi trường người, đáp ứng yêu cầu quy định khí thải động tàu thủy giải pháp hiệu để giảm chất thải bồ hóng lắp lọc DPF Trước tiến hành lắp đặt lên động chạy thử nghiệm, tác giả tiến hành nghiên cứu mô động diesel tàu thủy 6S185L-ST có lắp thêm lọc DPF phần mềm AVL Boost để khảo sát đánh giá Từ khóa: Chất thải dạng hạt, lọc DPF, động diesel 6S185L-ST, thải bồ hóng Abstract In order to reduce the influence of toxic substance on environment and human and meet the riquirements of exhaust to ship engine, emission fitting DPF filter is one of the effective solution to reduce granulated waste Before installing in the engine and testing, the aurthor used AVL Boost sofware to survey and assess a simulation search of 6S185L-ST ship diesel engine which was fitted with DPF filter Keyword: The granulated waste, diesel particulate filter, 6S185L-ST diesel Engine, soot emission Đặt vấn đề Hiện nay, gia tăng nhanh chóng số lượng phương tiện vận tải thiết bị động lực sử dụng động đốt chạy nhiên liệu xăng diesel gây ô nhiễm môi trường trầm trọng gây nguy cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch Chính vậy, việc nghiên cứu để giảm nhiễm mơi trường từ khí xả động cần thiết có ý nghĩa thực tiễn Do không đồng hỗn hợp tính chất phức tạp tượng lý hóa diễn q trình cháy nên khí xả động đốt ln có chứa hàm lượng đáng kể chất độc hại oxyde nitơ (NOx), monoxyde carbon (CO), hydrocarbure chưa cháy (HC), hạt rắn bồ hóng Nồng độ chất ô nhiễm khí xả phụ thuộc vào loại động chế độ vận hành Ở động Diesel, nồng độ CO, HC bé, chiếm tỉ lệ không đáng kể; nồng độ NOx bồ hóng chiếm tỷ lệ lớn ảnh hưởng đến mơi trường sống sức khỏe người [1] Bồ hóng tồn dạng hạt rắn có đường kính trung bình khoảng 300 nm nên dễ xâm nhập sâu vào phổi Ngoài việc gây ảnh hưởng cho quan hơ hấp tạp chất học khác có mặt khơng khí, bồ hóng ngun nhân gây bệnh ung thư hydrocarbure thơm mạch vòng (HAP) hấp thụ bề mặt chúng qua trình hình thành [2] Trong năm gần đây, giảm phát thải cho động diesel coi thách thức lớn quốc gia vấn đề sức khỏe cộng đồng mơi trường Vì vậy, hiểm họa phát thải từ động diesel đáng lưu tâm Cho nên, việc giảm phát thải cho động diesel vấn đề xúc nhận quan tâm lớn từ nhiều quốc gia lãnh thổ giới Mỹ, Châu Âu, Nhật, Tại Việt Nam, năm qua nhu cầu lại, vận chuyển hàng hóa người dân, doanh nghiệp tăng cao dẫn đến số lượng phương tiện thủy nội địa sử dụng động HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 104 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 diesel tăng lên nhanh có khoảng 1700 tàu thuyền loại sử dụng động diesel [3] Tuy nhiên, với việc phát triển mạnh mẽ lại thiếu kiểm soát chặt chẽ phương tiện dẫn đến mức độ nhiễm ngày tăng Với tính cấp bách đó, cần nghiên cứu tìm giải pháp giảm mức phát thải gây ô nhiễm từ động diesel lắp phương tiện đường thủy Nằm loạt nghiên cứu giảm phát thải động Diesel tàu thủy để đáp ứng tiêu chuẩn khí thải theo công ước MARPOL [4] Nghiên cứu theo hướng giảm phát thải dạng hạt động diesel tàu thủy lọc DPF Cơ chế hình thành bồ hóng động diesel Bồ hóng chất ô nhiễm đặc trưng khí thải động diesel Từ lâu người ta nhận biết tác hại chúng việc nghiên cứu hình thành chất ô nhiễm khí thải động diesel thực phát triển từ năm 1970 dựa vào thành tựu kỹ thuật quang học Hình Sơ đồ q trình hình thành bồ hóng Fusco [5] Quá trình cháy khuếch tán động diesel thuận lợi cho việc hình thành bồ hóng Sự cháy hạt nhiên liệu lỏng chúng dịch chuyển buồnh cháy tập trung cục nhiên liệu vùng có nhiệt độ cao ngun nhân sản sinh bồ hóng [5] Trong khí xả động diesel thành phần bồ hóng chiếm tỷ lệ lớn từ 5% 80% Hạt bồ hóng hình thành liên kết nhiều hạt sơ cấp hình cầu thành khối chuỗi Q trình hình thành bồ hóng bao gồm trình phân hủy nhiệt, tạo hạt nhân, liên kết hạt nhân, phát triển bề mặt hạt trình kết tủa thể hình Mỗi hạt bồ hóng chứa đến 4000 hạt hình cầu sơ cấp Các hạt sơ cấp có đường kính từ 10 80nm đại phận hạt nằm khoảng 15 30 nm, đường kính trung bình hạt bồ hóng nằm khoảng 100 150 nm, có lên đến 500 1000 nm Cấu trúc tinh thể hạt bồ hóng khí xả động diesel có dạng tương tự graphit đặn Mỗi hạt sơ cấp hình cầu tập hợp khoảng 1000 mầm tinh thể, có dạng phiến mỏng xếp đồng tâm quanh tâm hạt cầu, tương tự cấu trúc hạt carbon đen Giải pháp giảm phát thải dạng hạt 3.1 Đặc điểm lọc DPF Thành phần phát thải dạng hạt (PM) không bị oxy hóa xử lý, nhiệt độ khí thải thấp Do đó, động diesel để tách hạt bụi khỏi dòng khí thải thường cho dòng khí qua lọc DPF Các lọc PM thường chia làm hai loại lọc bề mặt lọc khối Các lỗ lõi lọc bề mặt có đường kính nhỏ kích thước hạt PM cần lọc, hạt PM bị giữ bề mặt lõi lọc Lọc bề mặt lọc 85% PM chủ yếu HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 105 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 muội than Tuy nhiên, diện tích bề mặt lõi lọc nhanh chóng bị che phủ PM nên sức cản lọc tăng lên nhanh chóng Trái lại lọc khối có đường kính lỗ rỗng lõi lọc lớn đường kính PM cần lọc nên hạt PM chui vào lõi lọc bị giữ lại Điều cho thấy so với lọc bề mặt, lọc khối giữ nhiều PM thời gian hai lần bảo dưỡng lọc dài Tuy nhiên, khả lọc khối lọc 40 đến 80% lượng PM khí thải Phần lớn lọc thiết kế theo kiểu lọc khối có cấu trúc lõi lọc thơng thường gốm xốp đúc thép cuộn có dạng hình trụ rỗng có rãnh song song theo phương dọc trục Từ hình cho thấy hiệu phương pháp lọc khối hẳn phương pháp lọc bề mặt thời gian giữ khí thải lọc dài hơn, khả lọc cải thiện Tuy nhiên cấu tạo giá thành chế tạo cao hẳn phương pháp lọc mặt Läc mỈt Läc khèi Hình Kết cấu lọc khối lọc bề mặt Ø299 Tất vật liệu làm lõi lọc có khả giữ lượng PM định Sau thời gian sử dụng lọc trở nên tải, hạt PM giữ lại tạo cản trở dòng khí thải thể thơng qua tổn thất áp suất qua lọc Do đó, hệ thống lọc cần có chế tái tạo đáng tin cậy để đảm bảo lọc hoạt động thời gian dài Các hạt PM lọc bị oxy hóa nhiệt độ cao hiệu bị giảm nhiệt độ thấp Vì vậy, chế độ tải nhỏ hạt PM giữ lại lọc, chúng oxy hóa động làm việc chế độ tải cao chức quan trọng lọc để cung cấp chế ngăn cản tích tụ muội mà vượt khả giữ lọc 3.2 Lựa chọn loại lọc DPF Trên thực tế đo đạc mức phát thải khói đen kết hợp kinh nghiệm hãng cần thiết lắp thêm lọc DPF loại khối, dạng hở, có tái sinh lọc phù hợp Mặc dù hiệu lọc loại đạt khoảng 80% Nhưng với hiệu lọc đủ điều kiện để đáp ứng việc nâng giới hạn phát thải động Đối với động thủy lưu hành, lọc DPF chuyên gia Công ty Bete Ceramics hỗ trợ thiết kế dựa theo thông số động mục tiêu giảm phát thải PM nghiên cứu đặt thể hình 310 530 540 Hình Kết cấu lọc DPF HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 106 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Bảng Kích thước lọc DPF cho động Diesel TT Diễn giải Ký hiệu Giá trị Chiều dài lõi lọc (mm) LDPF 310 Đường kính lõi lọc (mm) DDPF 299 Thể tích lõi lọc (lít) VDPF 2,23 Chiều dài tồn lọc (mm) L 540 Số phần tử lọc cm nDPF 25 Bộ lọc lắp đặt đường thải động có kết cấu đảm bảo lắp ghép kín khít với đường thải Sơ đồ nguyên lý động diesel lắp lọc DPF thể hin nh trờn hỡnh Đ-ờng nạp Làm mát khí tăng áp Động Đ-ờng thải MN TB Lọc DPF Hình Sơ đồ động lắp lọc DPF Trên hình cho thấy khí thải đưa trực tiếp vào tuabin, tồn lượng khí thải sau tuabin đưa qua lọc DPF để thực lọc PM Xây dựng chạy mơ hình động lắp lọc DPF 4.1 Xây dựng mô hình động phần mềm AVL Boost Động 6S185L-ST động diesel kỳ, xy lanh bố trí thẳng hàng, khơng tự đảo chiều, thứ tự làm việc là: 1-5-3-6-2-4, khởi động khí nén, tăng áp tuabin khí thải có làm mát khí tăng áp, hệ thống làm mát cưỡng vòng tuần hồn kín Các thơng số kỹ thuật động trình bày Bảng Hình Mơ hình động 6S185L-ST HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 107 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 STT 10 11 12 Bảng Các thông số động 6S185L-ST Thông số/ký hiệu Giá trị Đơn vị Thứ tự công tác 1-5-3-6-2-4 Thể tích cơng tác 37,09 dm3 Đường kính xy lanh (D) 185 mm Hành trình piston (S) 230 mm 13.6 Tỷ số nén () Công suất định mức Nemax 442 kW Tốc độ vòng quay ứng với Nemax 900 vg/ph Góc phun sớm nhiên liệu tính theo góc 16 ÷ 18 độ quay trục khuỷu Loại bơm cao áp Kiểu Bosch Hệ số dự trữ mô men 15 % Góc mở sớm, đóng muộn xupap nạp 10, 46 độ Góc mở sớm, đóng muộn xupap thải 56, 10 độ Mơ hình động diesel 6S185L-ST xây dựng phần mềm AVL Boost hình Mơ hình động sử dụng mơ hình truyền nhiệt Whoschni 1978, mơ hình cháy AVL MCC Khi lắp lọc đường thải để đảm bảo động không bị suy giảm mơ men cơng suất theo khuyến cáo hãng cần sử dụng lọc DPF có kích thước xây dựng mơ hình mơ tác giả gộp số liệu lọc thành lọc có hình dáng hình Sau nhập số liệu tiến hành chạy mơ hình với động ngun thủy chưa lắp lọc DPF 100% tải Kết thúc chạy mơ kết hình cho thấy đường đặc tính cơng suất suất tiêu hao nhiên liệu mô thực nghiệm tương đồng, sai số lớn suất tiêu hao nhiên liệu 5,4% Cho nên, kết luận chạy mơ hình thơng số dần hội tụ sử dụng mơ hình động để tính tốn chế độ khác sử dụng lọc DPF Hình Đặc tính cơng suất tiêu hao nhiên liệu chế độ 100% tải mơ thực nghiệm 4.2 Chạy mơ hình động sử dụng lọc DPF Đánh giá ảnh hưởng việc sử dụng giải pháp lắp lọc DPF đến tính kỹ thuật động Kết mô động lắp lọc DPF theo đường đặc tính tải thể hiên hình Kết cho thấy lắp lọc DPF đường thải gây ảnh hưởng đến q trình thải động Cho nên, mơ men động bị giảm nhẹ chế độ tải khác nhau, mức độ giảm mô men lớn 8,5% chế độ 800 vg/phút 100% tải HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 108 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Me (N.m) 5000 4500 100% 4000 100%_DPF 3500 75% 3000 75%_DPF 2500 2000 50% 1500 50%_DPF 1000 500 250 350 450 550 650 750 950 n (vg/ph) 850 Hình Đặc tính mơ men động lắp không lắp lọc DPF chế độ 100 %, 75%, 50% tải Đánh giá ảnh hưởng lắp lọc DPF đến mức phát thải động Kết mô động không lắp lắp lọc DPF theo đặc tính tải thể hình 8, hình 9, hình 10, hình 11 NOx(g/kW.h) 20 PM (g/kW.h) 0,07 18 100% 100%_DPF 16 14 75% 75%_DPF 12 0,06 100% 0,05 100%_DPF 0,04 10 0,03 50% 50%_DPF 0,02 0,01 0 250 350 450 550 650 750 300 950 n (vg/ph) 850 Hình Đặc tính NOx khơng lắp lắp lọc DPF 100 %, 75%, 50% tải PM (g/kW.h) 0,6 400 500 600 700 800 900 n (vg/ph) Hình Đặc tính PM khơng lắp lắp lọc DPF chế độ 100 % tải PM (g/kW.h) 0,45 50% 0,4 75% 0,5 50%_DPF 0,35 75%_DPF 0,1 0,4 0,25 0,3 0,2 0,15 0,2 0,1 0,1 0,05 0 300 400 500 600 700 800 900 n (vg/ph) Hình 10 Đặc tính PM khơng lắp lắp lọc DPF chế độ 75% tải 300 400 500 600 700 800 900 n (vg/ph) Hình 11 Đặc tính PM khơng lắp lắp lọc DPF chế độ 50% tải Các kết cho thấy thành phần phát thải NOx giảm so với động không lắp lọc DPF, giá trị giảm lớn 8,2% Sở dĩ lượng khí thải NOX giảm khơng nhiều chủ yếu lắp lọc DPF làm tăng cản đường thải từ dẫn đến lượng HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 109 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 khí sót buồng cháy tăng khiến cho nhiệt độ đỉnh q trình cháy giảm xuống Trong phát thải PM với giá trị tải khác giảm đáng kể giá trị giảm nhỏ 26,4% tốc độ 400 vg/phút 75% tải; giá trị giảm lớn đạt 71,5% tốc độ 800 vg/phút 75% tải Kết cho thấy sử dụng lọc DPF hàm lượng PM giảm lớn Bởi vậy, lắp lọc DPF để giảm PM cho động diesel tàu thủy khả thi Kết luận Trên sở kết nghiên cứu, từ phân tích đánh giá phương pháp giảm phát thải động diesel phương tiện tàu thủy đưa số kết luận sau: Có thể lắp lọc DPF phương tiện thủy để giảm phát thải PM mà không ảnh hưởng nhiều đến tính hoạt động động cơ; Khi lắp lọc DPF động diesel 6S185L-ST giúp lọc lớn 71,5% lượng bồ hóng sinh trình cháy so với động chưa lắp lọc; Nghiên cứu dừng lại mức độ tính tốn lý thuyết mơ máy tính Trong tương lai, nghiên cứu mở rộng nghiên cứu trình hình thành trình tái sinh bầu lọc để tìm phương án tối ưu nhằm giảm tới mức lớn phát thải bồ hóng; nghiên cứu chế tạo, lắp đặt chạy thử nghiệm đánh giá hiệu lọc DPF lắp động tàu thủy Tài liệu tham khảo [1] John Heywood Internal combustion Engine Fundamentals McGraw-Hill Book Co 1988 [2] Huang, Di Modeling of diesel particulate filter filtration and regeneration for transient driving schedules Dissertation, Michigan Technological University 2011 [3] www.vinamarine.gov.vn [4] MEPC 58/23/Add Annex VI “Regulations for the Prevention of Air Pollution from Ships" to the international conventions MARPOL 73/78 An-nex Revised MEPC.176 (58) October 10, 2008 [5] PGS TS Nguyễn Hồng Vũ Ơ nhiễm mơi trường động đốt Học viện Kỹ thuật Quân 2004 HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 110 ... MARPOL [4] Nghiên cứu theo hướng giảm phát thải dạng hạt động diesel tàu thủy lọc DPF Cơ chế hình thành bồ hóng động diesel Bồ hóng chất nhiễm đặc trưng khí thải động diesel Từ lâu người ta nhận biết... sử dụng lọc DPF hàm lượng PM giảm lớn Bởi vậy, lắp lọc DPF để giảm PM cho động diesel tàu thủy khả thi Kết luận Trên sở kết nghiên cứu, từ phân tích đánh giá phương pháp giảm phát thải động diesel. .. tiện tàu thủy đưa số kết luận sau: Có thể lắp lọc DPF phương tiện thủy để giảm phát thải PM mà khơng ảnh hưởng nhiều đến tính hoạt động động cơ; Khi lắp lọc DPF động diesel 6S185L-ST giúp lọc