Động cơ sử dụng nhiên liệu biogas được làm giàu bởi hydrogen

Động sử dụng nhiên liệu Biogas làm giàu Hydrogen ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THƠNG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIOGAS ĐƯỢC LÀM GIÀU BỞI HYDROGEN Sinh viên thực hiện: NGUYỄN DUY ĐÔNG NGUYỄN THẾ LƯƠNG NGUYỄN DUY MẠNH LÊ TẤN QUANG Đà Nẵng - Năm 2018 SVTH: Nhóm GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga Động sử dụng nhiên liệu Biogas làm giàu Hydrogen MỞ ĐẦU Ngày nay, với việc khai thác tài nguyên tăng cường kèm theo phát thải chất độc hại vào môi trường làm cân sinh thái vốn có tự nhiên gây hệ lụy nghiêm trọng sống người Nhiều diễn đàn quốc tế, nhiều họp thượng đỉnh diễn khắp nơi giới nêu lên thông điệp: bảo vệ môi trường trước q muộn Lồi người khơng thể từ bỏ văn minh dựa dầu mỏ, việc sử dụng hết lượng nhiên liệu hóa thạch lòng đất điều tất yếu Nguồn nguyên liệu cạn kiệt dẫn đến giá nhiên liệu gia tăng thất thường, gây tác động bất lợi cho kinh tế phụ thuộc mạnh vào dầu mỏ Việc chuyển dịch dần sang sử dụng loại nhiên liệu không truyền thống thay cho dầu mỏ từ chắn giúp giảm bớt bị động nguồn cung cấp lượng cho tương lai Khi nhiên liệu hóa thạch lịng đất sử dụng hết đồng nghĩa với khối lượng bon chơn vùi lịng đất từ hình thành đến giải phóng bầu khí Nếu giải pháp nhốt cacbon vào lịng đất khơng phát minh sớm lồi người chứng kiến thảm họa bùng nổ khí hậu: nhiệt độ bầu khí tăng liên tục, băng tuyết tăng làm mực nước biển dâng cao, làm ngập mặn vùng đáy ven biển Việt Nam quốc gia chịu tác động nặng nề biến đổi khí hậu Sự phát triển bền vững quốc gia phụ thuộc vào ý thức bảo vệ môi trường quốc gia Vì việc tìm kiếm nguồn lượng thay phát triển công nghệ sử dụng có hiệu nguồn lượng mối quan tâm hàng đầu nhiều quốc gia giới Việt Nam nước mạnh nơng nghiệp có gần 80% dân số sống vùng nông thôn Chất thải sản xuất nông nghiệp chăn nuôi nguồn nguyên liệu tốt để sản xuất biogas Đây nguồn lượng tái sinh có nguồn gốc từ lượng mặt trời nên việc sử dụng khơng làm tăng nồng độ CO2 khí Vì việc tận dụng nguồn biogas để phát điện cục hướng tới tập trung nguyên liệu để sản xuất biogas quy mô lớn cung cấp nguyên liệu cho nhà máy điện hay làm nhiên liệu cho phương tiện giao thống vận tải hướng phát triển nhiên liệu thay mạnh phù hợp với nước ta Với lý nêu trên, đề tài “Động sử dụng nhiên liệu biogas làm giàu hydrogen” có ý nghĩa to lớn cấp thiết; khơng góp phần SVTH: Nhóm GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga Động sử dụng nhiên liệu Biogas làm giàu Hydrogen làm đa dạng hóa nguồn nhiên liệu dùng cho động nhiệt nguồn nhiên liệu dầu mỏ cạn kiệt, mà cịn góp phần sử dụng hiệu nhiên liệu sinh học cho động đốt giảm thiểu nhiễm mơi trường tình hình Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu thiết kế cải tạo hệ thống cung cấp khí biogas làm giàu hydrogen cho động cỡ nhỏ để chạy máy phát điện, cho nhu cầu đun nấu, nhu cầu thắp sáng, chạy máy bơm nước sử dụng khí Biogas trại chăn ni khí hydro thong qua q trình điện phân nước, qua tận dụng nguồn lượng chỗ Việc tận dụng nguồn lượng chỗ cho sản xuất giúp cho người dân tiết kiệm kinh phí, làm giảm giá thành sản phẩm, tăng thu nhập cho người dân, góp phần đẩy mạnh cơng cơng nghiệp hóa, đại hóa nơng nghiệp nơng thơn, đảm bảo phát triển bền vững đất nước Ý nghĩa đề tài Khí Biogas khí thiên nhiên sản xuất rộng rải nước ta nay, đặc biệt vùng nơng thơn việc sử dụng nhiên liệu khí Biogas để làm nhiên liệu chạy động đốt làm giảm mức độ phát thải khí CO2, NOx, HC, CO góp phần thực cơng ước quốc tế môi trường mà Việt Nam cam kết tham gia Tìm giải pháp cho vấn đề sử dụng nguồn nhiên liệu Biogas mà lãng phí, tránh gây khó khăn cho việc cất giữ loại nhiên liệu Bố cục đồ án Chương 1: Sản xuất, tinh luyện lưu trữ nhiên liệu biogas sử dụng cho động đốt Chương 2: Sản xuất nhiên liệu hydrogen làm giàu nhiên liệu cho động đốt Chương 3: Thiết kế hệ thống cung cấp biogas làm giàu hydrogen cho động đánh lữa cưỡng cỡ nhỏ Chương 4: Thiết kế hệ thống cung cấp biogas làm giàu hydrogen cho động dual fuel tĩnh SVTH: Nhóm GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga Động sử dụng nhiên liệu Biogas làm giàu Hydrogen LỜI CẢM ƠN Trong chương trình đào tạo trường Đại học Kỹ thuật nay, số môn học chuyên ngành sau học xong phần lý thuyết sinh viên phải làm đồ án môn học Thông qua việc làm đồ án giúp sinh viên củng cố lại kiến thức học vận dụng để giải vấn đề cụ thể Vào kỳ cuối, sinh viên đủ điều kiện nhận đồ án tốt nghiệp Đề tài tốt nghiệp có ý nghĩa quan trọng việc đánh giá học lực sinh viên định sinh viên có đủ điều kiện tốt nghiệp hay không Là sinh viên năm cuối Khoa Cơ Khí Giao Thơng – Trường Đại học Bách khoa, bạn sinh viên khác trường em thầy cô giáo cung cấp kiến thức quan trọng đại cương chuyên ngành để làm hành trang cho sau vận dụng vào sống Sau xét đủ điều kiện nhận tốt nghiệp với định hướng Thầy giáo GS.TSKH Bùi Văn Ga Thầy giáo Th.S Võ Anh Vũ - hướng dẫn nhóm em tận tình xun suốt đề tài - đề tài nhóm em “Thiết kế động sử dụng nhiên liệu Biogas làm giàu Hydrogen ” Trong thời gian thực đề tài nhóm em ln ln cố gắng vận dụng kiến thức chuyên môn, sưu tầm tài liệu, với giúp đỡ Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Đình Lâm hỗ trợ nhóm em nhiều q trình thực nghiệm sản xuất Hydrogen, Cơ giáo TS Nguyễn Thị Thanh Xuân, Thầy giáo ThS Phạm Đình Long hỗ trợ nhóm em nhiều q trình chế tạo, sản xuất thực nghiệm trình lọc khí H2 S Biogas để hồn thành đề tài Mặc dù đề tài hồn thành số vấn đề chưa giải triệt để Vì nhóm em mong bảo thầy cô để đề tài em hồn thành tốt nữa! Cuối nhóm em xin chân thành cảm ơn gửi lời chúc sức khỏe đến thầy cô giáo! Đà Nẵng, ngày 28 tháng năm 2018 Nhóm sinh viên thực SVTH: Nhóm GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga Động sử dụng nhiên liệu Biogas làm giàu Hydrogen Chương 1: Tổng quan 1.1 Mục đích ý nghĩa khoa học đề tài 1.1.1 Mục đích đề tài Nghiên cứu thiết kế cải tạo hệ thống cung cấp khí biogas làm giàu hydrogen cho động cỡ nhỏ để chạy máy phát điện, cho nhu cầu đun nấu, nhu cầu thắp sáng, chạy máy bơm nước sử dụng khí Biogas trại chăn ni khí hydro thong qua q trình điện phân nước, qua tận dụng nguồn lượng chỗ Việc tận dụng nguồn lượng chỗ cho sản xuất giúp cho người dân tiết kiệm kinh phí, làm giảm giá thành sản phẩm, tăng thu nhập cho người dân, góp phần đẩy mạnh cơng cơng nghiệp hóa, đại hóa nơng nghiệp nông thôn, đảm bảo phát triển bền vững đất nước 1.1.2 Ý nghĩa khoa học đề tài Khí Biogas khí thiên nhiên sản xuất rộng rải nước ta nay, đặc biệt vùng nơng thơn việc sử dụng nhiên liệu khí Biogas để làm nhiên liệu chạy động đốt làm giảm mức độ phát thải khí CO2, NOx, HC, CO góp phần thực cơng ước quốc tế môi trường mà Việt Nam cam kết tham gia Tìm giải pháp cho vấn đề sử dụng nguồn nhiên liệu Biogas mà lãng phí, tránh gây khó khăn cho việc cất giữ loại nhiên liệu 1.2 Tổng quan nhiên liệu, nhiên liệu biogas nhiên liệu hydrogen 1.2.1 Nhiên liệu Nhiên liệu vật chất sử dụng để giải phóng lượng cấu trúc vật lý hóa học bị thay đổi Nhiên liệu giải phóng lượng thơng qua q trình hóa học cháyhoặc q trình vật lý, ví dụ phản ứng nhiệt hạch, phản ứng phân hạch Tính quan trọng nhiên liệu lượng giải phóng cần thiết giải phóng lượng kiểm sốt để phục vụ mục đích người Mọi dạng sống Trái đất – từ cấu trúc vi sinh vật động vật người, phụ thuộc sử dụng nhiên liệu nguồn cung cấp lượng Các tế bào thể sống tham gia trình biến đổi hóa học mà qua lượng thức ăn ánh sáng Mặt trời chuyển hóa thành dạng lượng trì sống Con người sử dụng nhiều cách thức nhằm biến đổi lượng nhiều hình thức thành dạng phù hợp mục đích sử dụng phục vụ sống q trình SVTH: Nhóm GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga Động sử dụng nhiên liệu Biogas làm giàu Hydrogen xã hội Ứng dụng giải phóng lượng từ nhiên liệu đa dạng sống đốt cháy khí tự nhiên để đun nấu, kích nổ xăng dầu để chạy động cơ, biến lượng hạt nhân thành điện năng, v.v Các dạng nhiên liệu phổ biến dùng dầu hỏa, xăng dầu, than đá, chất phóng xạ, v.v 1.2.2 Nhiên liệu Biogas Biogas hay khí sinh học hỗn hợp khí methane (CH4) số khí khác phát sinh từ phân huỷ vật chất hữu Methane khí tạo hiệu ứng nhà kính gấp 21 lần khí carbonic (CO2) Theo ước tính Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, sử dụng tất nguồn ngun liệu tạo khí sinh học để dùng vận chuyển lượng lượng làm giảm 500 triệu khí cácbonic hàng năm, tương đương với số lượng 90 triệu xe dùng năm Nghiên cứu sử dụng nguồn lượng tái sinh từ lâu nhà khoa học quan tâm, đặc biệt từ sau xảy khủng hoảng lượng dầu mỏ năm 1973 Cuộc khủng hoảng sau khắc phục, nhiên nguy ln rập rình Những năm gần đây, giá dầu thơ liên tục gia tăng, có lúc vượt ngưỡng 100USD/thùng năm 2007 Mặc dù nước xuất dầu mỏ sử dụng hết công suất có để sản xuất khó khăn làm hạ nhiệt sốt giá dầu thô Với mức khai thác nay, trữ lượng dầu thơ lịng đất cạn kiệt tương lai không xa Việc chuyển dần sang sử dụng loại nhiên liệu không truyền thống trở thành chiến lược sách lượng nhiều quốc gia phát triển Sự gia tăng nồng độ chất nhiễm bầu khí kể từ nhân loại bước vào thời kỳ công nghiệp đặt vấn đề hết xúc môi trường Thủ phạm gây chất nhiễm bầu khơng khí sản phẩm cháy nhiên liệu hóa thạch (than đá, dầu mỏ, khí đốt ) Trong khí thải có chất trực tiếp gây ảnh hưởng đến sức khỏe người CO, HC, NOx, SO2, bồ hóng chất gây tác động xấu đến mơi trường, đặc biệt CO2, chất khí gây hiệu ứng nhà kính làm tăng nhiệt độ trái đất Nhiều hội nghị cấp cao quốc tế khu vực bàn giải pháp giảm thiểu CO2 sản xuất đời sống người ta đạt thỏa thuận quan trọng công ước quốc tế Kyoto, LaHaye Việt Nam cam kết thực Theo Công ước quốc gia cần áp dụng giải pháp rút giảm mức độ phát thải CO2 cách nâng cao hiệu sử dụng lượng, sử dụng nguồn lượng sạch, sử dụng lượng tái sinh Năng lượng tái sinh có nguồn gốc từ lượng mặt trời nguồn lượng lý tưởng SVTH: Nhóm GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga Động sử dụng nhiên liệu Biogas làm giàu Hydrogen Cũng dầu thực vật, khí Biogas nhiên liệu trung hịa CO2 khí Biogas kết phân hủy chất hữu mơi trường thiếu khơng khí Các chất hữu (cây cối, rơm rạ, xác sinh vật, chất thải từ trình chế biến thực phẩm ), chất thải từ q trình chăn ni vv Biogas chứa chủ yếu methane (50-70%) CO2 (25-50%) tạp chất khác H2S, CH4 mệnh danh nhiên liệu “sạch”, có nhiệt trị cao 1m3 CH4 cháy tỏa nhiệt lượng tương đương với 1,3kg than đá, 1,15 lít xăng, 1,7 lít cồn hay 9,7 kwh điện Nếu sử dụng Biogas làm nhiên liệu, 1m3 khí Biogas cung cấp cho động sức ngựa chạy Vì khí Biogas lọc tạp chất chúng nguồn nhiên liệu thay lý tưởng để chạy động đốt sở thành tựu đạt động sử dụng nhiên liệu khí Phong trào xây dựng hầm Biogas qui mơ gia đình hộ chăn ni gia súc nước ta phát triển Khí Bioags chủ yếu dùng để thay chất đốt Kết đem lại tích cực hiệu kinh tế lẫn bảo vệ môi trường Nguồn khí Biogas nhận từ hầm khí sinh học cung cấp lượng phục vụ việc đun nấu, tượng chặt phá rừng làm chất đốt nơng thơn phần kiểm sốt Tuy nhiên nhu cầu lượng nông thôn dừng lại Trong thực tế sản xuất sinh họat nông thôn nay, động cỡ nhỏ kéo máy công tác thông thường bơm nước, phát điện, xay xát, máy lạnh để bảo quản sản phẩm nơng nghiệp Có nhu cầu sử dụng lớn Sử dụng khí Biogas để chạy loại động giúp cho người nơng dân tiết kiệm chi phí lượng, giảm giá thành sản xuất góp phần tích cực vào việc cải thiện đời sống người dân Trên giới người ta sản xuất động cỡ lớn sử dụng khí Biogas bãi rác làm nhiên liệu để sản xuất điện Tuy nhiên động cỡ nhỏ (công suất nhỏ khoảng 7kW) chạy khí Biogas chưa nghiên cứu phát triển Từ năm 1995, Bộ môn Động Lực Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng hình thành nhóm nghiên cứu động sử dụng nhiên liệu khí Hơn 10 năm nay, nhóm nghiên cứu thành cơng đưa thị trường phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu LPG/xăng cho xe gắn máy Kết ứng dụng tàu thuyền nhỏ chạy sông sử dụng khí dầu mỏ hóa lỏng LPG Trên sở kinh nghiệm kết đạt xe gắn máy chạy ga, nghiên cứu chế tạo phụ kiện cho phép chuyển đổi động tĩnh cỡ nhỏ chạy xăng sang chạy khí Biogas Nước ta có 80% dân số sống nông thôn Việc tận dụng nguồn lượng chỗ cho sản xuất giúp cho nơng dân tiết kiệm kinh phí, làm giảm giá thành sản phẩm, tăng thu nhập cho người dân Sử dụng động nhiệt chạy khí SVTH: Nhóm GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga Động sử dụng nhiên liệu Biogas làm giàu Hydrogen Biogas để kéo máy công tác sản xuất đời sống nơng thơn có ý nghĩa thiết thực Mặt khác việc sử dụng nguồn lượng sản xuất đời sống cịn góp phần giảm thiểu chất thải, bảo vệ tài nguyên môi trường 1.2.3 Nhiên liệu hydrogen Hydrogen phát vào khoảng kỷ thứ 16 Theophrastus Paracelsus cho kim loại tác dụng với acid sulfuric Trên thực tế, Hydrogen khí đơn giản thành phần chủ yếu vũ trụ (chiếm đến 90%) Trên trái đất, hydrogen tồn chủ yếu dạng hợp chất với oxygen H2O Hydrogen đồng thời nguyên tố hợp chất Hydrocarbon, dạng hợp chất có nhiều ứng dụng quan trọng công nghiệp đời sống Hydrogen ngày ứng dụng nhiều công nghiệp như: sản xuất hố chất, q trình no hố dầu mở, lĩnh vực lượng (bản thân Hydrogen sử dụng loại lượng, hỗn hợp H2 O2 nhiên liệu cho phi thuyền không gian), đặc biệt sử dụng q trình chế biến dầu khí Ngày nay, nhu cầu nhiên liệu ngày tăng, trữ lượng dầu mỏ có giới hạn Chính thế, loại dầu nhẹ ngày đi, địi hỏi chế biến sâu chế biến loại dầu nặng Mặt khác, yêu cầu độ nhiên liệu ngày cao, địi hỏi q trình chế biến Với nhu cầu thế, với tính chất phù hợp mà hydrogen đóng vai trò quan trọng lĩnh vực chế biến sạch, chế biến sâu sản phẩm dầu khí 1.3 Khả sử dụng nhiên liệu Biogas nhiên liệu Hydrogen động đốt 1.3.1 Khả sử dụng nhiên liệu Biogas động đốt Có thể nói động đốt sử dụng Biogas từ hệ thống xử lý rác thải thành phố ứng dụng chục năm mang lại thành công nhiều mức độ khác Trong năm trở lại đây, công nghệ ứng dụng rộng rãi cho ngành sản xuất nông nghiệp công nghiệp sức ép việc khan lượng hoá thạch tương lai Các động đánh lửa cưỡng cố định cung cấp lượng cho nhiều loại thiết bị tải bao gồm: + Máy phát điện + Máy bơm + Quạt + Thiết bị nâng chuyển + Bơm nhiệt, điều khồ khơng khí SVTH: Nhóm GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga Động sử dụng nhiên liệu Biogas làm giàu Hydrogen 1.3.2 Khả sử dụng nhiên liệu Hydrogen động đốt H2 đốt trực tiếp động loại phương tiện giao thông chạy xăng dầu Mức tiêu hao nhiên liệu xe chạy H2 khoảng kg H2/ 300km Hãng Nissan cho đời xe ô tô Leaf chạy H2 (tại Mỹ); General Motors sản xuất 100 xe H2 thử nghiệm có tên gọi Chevrolet Equinox; Khi phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu H2 cần thiết lập trạm phân phối vào bình chứa Do lượng khí xe tiêu thụ lớn nhiều so với xăng, đòi hỏi mạng lưới vận chuyển khổng lồ Một ý kiến cho rằng: "Nếu tất xe giới chuyển sang dùng H2, xe lưu thơng có xe téc chở khí H2" Trong tương lai, mức tiêu tốn cho xe chạy H2 khoảng 0,95 lít H2 lỏng/100km 1.4 Giới thiệu động HONDA GX120 Động HONDA GX120 (OHV) lắp cho máy phát điện SH2000 động xăng có cơng suất nhỏ Chi phí lắp đặt khơng cao đáp ứng nhu cầu sử dụng Thông số máy phát: - Điện áp: U=220V/50Hz GX 120 HONDA 10 4.0 Hình 1.1 Động HONDA GX120 SVTH: Nhóm GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga Động sử dụng nhiên liệu Biogas làm giàu Hydrogen - Bulông xả nhớt; - Cần khởi động; - Thân máy; - Lọc xăng; - Chén đựng xăng; - Lọc gió; - Bình đựng xăng; - Nắp bình đựng xăng; - Cơng tắc điện; 10 - Đế máy Với đặc điểm: Nhỏ gọn, dễ dàng khởi động tay trang bị hệ thống nén dây, xylanh đặt nghiêng 250 so với phương nằm ngang làm giảm trọng lực trung tâm, nhờ giảm độ rung tiếng ồn, công suất cực đại 2,9kw nên động ứng dụng nhiều công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, ngư nghiệp 1.4.1 Các thông số động Tên thông số Ký hiệu Thứ nguyên Giá trị Kích thước lớn động mm 305 x 341x 318 Trọng lượng khô Kg 13 Loại động kỳ, xupáp treo, xi lanh Thể tích cơng tác Vh cm3 118 Đường kính xi lanh D mm 60 Hành trình piston S mm 42 Công suất cực đại động Ne kw 2,9 (3600 v/ph) Memax N.m 7,4 (2500 v/ph) Thể tích dầu bơi trơn động lít 0,6 Thể tích bình chứa nhiên liệu lít 2,5 lít/giờ Mômen cực đại Tiêu hao nhiên liệu G Tỷ số nén  8,5:1 Số vòng quay định mức n 3600 vịng/phút Hệ thống làm mát Khơng khí cưỡng Hệ thống đánh lửa Transistorized magneto Chiều quay trục khuỷu Cùng chiều kim đồng hồ Khe hở bugi mm 0,7  0,8 Góc đánh lửa sớm s 250 Góc mở sớm xupáp nạp 1 150 Góc đóng muộn xupáp nạp 2 530 Góc mở sớm xupáp thải 3 440 Góc đóng muộn xupáp thải 4 220 SVTH: Nhóm GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga 10 𝐻2 + Số mol 𝑂2 : 𝑛𝑂2 = 2,4852 32 𝑂 → 𝐻2 𝑂 2 = 0,0776 mol → Số mol 𝐻2 : 𝑛𝐻2 = 0,0776.2 = 0,1552 mol → Khối lượng 𝐻2 : 𝑚𝐻2 = 0,1552.2 =0,3104 (kg) 6.2.3 Qúa trình thực a Chuẩn bị dụng cụ ● hộp nhựa có nắp đậy kín ● cực làm vật liệu Inox kích thước 2,4 x12 cm ● chuyển đổi đầu 12 V, 30 A ● túi nilon ● ống nước Aquafina 500 ml ● ổn áp ● 5kg NaOH rắn ● Bộ dụng cụ đo cường độ hiệu điện ● Đồng hồ bấm thời gian ● cân khối lượng cân 30 kg Sơ đồ lắp ghép thực ghiệm Hình 6.12 Sơ đồ lắp đặt thiết bị Bộ nguồn DC 12V-30A; Dung dịch NaOH; Bản cực Inox Ống cách li cực; Bình chứa Oxy; Bình chứa Hydrogen SVTH: Nhóm GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga 141 b Tiến hành thực nghiệm Qua nhiều thực nghiệm nhận thấy : Khi dùng dd axit lỗng muối NaCl kết thu 𝐻2 xem khơng có kết Vì phần trình bày trình xử lý kết thực nghiệm trình bày dd NaOH Các bước tiến hành thực nghiệm: Bước : Pha dung dịch NaOH theo tỷ lệ a kg NaOH : b kg Nước → nồng độ phần trăm dd NaOH 𝑎 𝑎+𝑏 100% Vì dd NaOH dễ làm hại da nên cần sử dụng gang tay bảo vệ trước tiến hành cá thao tác lien quan đến dd NaOH Hình 6.13 Pha dung dịch NaOH Bước 2: Tiến hành lắp đặt thí nghiệm Sử dụng chai nước Aquafina 500ml dùng để chứa cự làm Inox làm phận tách khí Phía ngồi nắp đường ống dẫn khí đến nơi chứa điện phân SVTH: Nhóm GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga 142 Hình 6.14 Nắp hộp chứa dung dịch điện phân Cực âm đấu với phận tương ứng để thu khí Hydro Hình 6.15 Lắp đặt hồn chỉnh SVTH: Nhóm GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga 143 Bước 3: Tiến hành thực nghiệm ghi nhận kết Sau lắp đặt xong kiểm tra lại lần bắt đầu trình thực nghiệm Hình 6.16 Quá trình thực nghiệm c Xử lý kết Tiến hành thực nghiệm theo bước thay đổi giá trị nồng độ, cường độ dòng điện, hiệu điện Ta có bảng số liệu sau: m NaOH Bảng 6.1 Bảng kết thực nghiệm m Nồng Cường Hiệu điện Thời H2O độ độ gian kg kg % A V phút lít 0.9 5.5 14.06 11.52 10.55 17.2 0.2 5.5 15.38 11.55 10.64 17 0.2 1.1 5.5 16.67 11.22 10.72 15 0.2 1.2 5.5 17.91 12.5 10.89 15.3 0.2 1.3 5.5 19.12 13 11.02 20 0.2 STT Thu Dựa vào bảng kết thực nghiệm ta thấy với nồng độ dd NaOH nằm khoảng 16-18 % thu nhiều SVTH: Nhóm GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga 144 Tại nồng độ dd NaOH 16,67 % lượng khí 𝐻2 thu nhiều khoảng thời gian ngắn 15 phút thu 0,2 lít = 1,293.0,2 14,5 = 0,0178 (kg) khí hydro cường độ dòng điện 11,22 A hiệu điện 10,72 V Dựa vào kết tính tốn cần 0,3104 kg khí 𝐻2 để động sử dụng Vậy với kết thực nghiệm cần khoảng thời gian để sản xuất khí hydro để đủ cho động chạy là: 0,3104.15 𝑡= = 261,57 (𝑝ℎú𝑡 ) = 4,359 (𝑔𝑖ờ) 0,0178 Kết luận Trước thực trạng ô nhiễm môi trường ngày trầm trọng, khí thải phương tiện giao thông cạn kiệt xăng dầu, có nhiều giải pháp nhiên liệu thay cho dầu mỏ, số nguyên liệu hydro giải pháp tối ưu giải hai vấn đề Hydrogen chất khí, đót cháy sinh nước cacbon khơng nhiễm môi trường hydrogen tồn nhiều tự nhiên, điều chế nhiều phương pháp Phương pháp khả quan để thu khí hydro điện phân nước sử dụng dd NaOH Tuy nhiên để đưa nhiên liệu hydrogen vào sử dụng đại trà cịn nhiều vấn đề, cần phải lắp đặt hệ thống nạp nhiên liệu, động phải cải tiến để phù hợp SVTH: Nhóm GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga 145 KẾT LUẬN Thông qua kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm đề tài rút số kết luận sau: - Việc nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu cho động đốt cần thiết, phù hợp với xu chung nay, động cỡ nhỏ kéo máy phát điện có ý nghĩa việc giảm thiểu nhiễm mơi trường tiết kiệm chi phí lượng - Việc chuyển đổi nhiên liệu từ chạy xăng sang chạy Biogas - Hydrogen động máy phát điện hoàn toàn thực được, động hoạt động ổn định chế phụ tải - Việc ứng dụng lượng tái tạo phát triển mạnh số nước Nhật Bản, Hàn Quốc, Mỹ…nhằm giải vấn đề ô nhiễm môi trường Ở Việt Nam đưa vào nghiên cứu sử dụng, nhiên cịn quy mơ nhỏ ứng dụng chưa triệt để nguồn lượng dồi SVTH: Nhóm GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga 146 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Lê Xuân Thạch, Lê Minh Tiến, Trương Lê Bích Trâm, Trần Thanh Hải Tùng, Nguyễn Thị Thanh Xuân, “Động Biogas”, NXB Giáo Dục Việt Nam, 2013 [2] Trần Thanh Hải Tùng, “Bài giảng môn học Kỹ thuật động sử dụng nhiên liệu mới”, Tài liệu nội Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, 2014 [3] Nguyễn Tất Tiến, “Nguyên lý động đốt trong” NXB Giáo Dục Việt Nam 2000 [4] Bùi Văn Ga, Lê Minh Tiến, Nguyễn Văn Đông, Nguyễn Văn Anh “Hệ Thống Cung Cấp Biogas Cho Động Cơ Dual-Fule Biogas/Diesel” Tạp Chí Khoa Học Và Công Nghệ, Trang 25, Số 2, 2008 [5] Trần Thanh Hải Tùng, “Tính tốn thiết kế hệ thống động đốt trong”, Tài liệu nội Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, 2014 [6] GS.TSKH Bùi Văn Ga, GS.TS Trần Văn Nam “Ơ tơ khơng truyền thống” [7] www.dongcobiogas.com [8] www.oto-hui.com [9] Tham khảo thông tin internet với từ khóa : - Hydrogen - Biogas - Renewable energy - Global warming - Hydrogen production SVTH: Nhóm GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga 147 MỞ ĐẦU LỜI CẢM ƠN Chương 1: Tổng quan 1.1 Mục đích ý nghĩa khoa học đề tài 1.1.1 Mục đích đề tài 1.1.2 Ý nghĩa khoa học đề tài 1.2 Tổng quan nhiên liệu, nhiên liệu biogas nhiên liệu hydrogen 1.2.1 Nhiên liệu 1.2.2 Nhiên liệu Biogas 1.2.3 Nhiên liệu hydrogen 1.3 Khả sử dụng nhiên liệu Biogas nhiên liệu Hydrogen động đốt 1.3.1 Khả sử dụng nhiên liệu Biogas động đốt 1.3.2 Khả sử dụng nhiên liệu Hydrogen động đốt 1.4 Giới thiệu động HONDA GX120 Chương 2: Sản xuất, tinh luyện lưu trữ nhiên liệu biogas sử dụng cho động đốt .14 2.1 Nguyên lý sản xuất Biogas 14 2.1.1 Sơ đồ sản xuất Biogas 14 2.1.2 Tính Biogas 16 2.1.2.1 Thành phần chủ yếu Biogas 16 2.1.2.2 Các tính chất Biogas 16 2.1.3 Tình hình sử dụng Biogas 17 2.1.4 Nghiên cứu sử dụng Biogas cho động kéo máy phát điện Việt Nam .18 2.2 Các tạp chất có hại khí Biogas 20 2.2.1 Carbonic .20 2.2.2 Siloxane .20 2.2.3 Hydrogen sulphide H2S .21 2.4 Lọc tạp chất biogas 21 2.5 Thử nghiệm khả lọc H2S .22 2.5.1 Chuẩn bị cột lọc 22 2.5.2 Chuẩn bị vật liệu 22 2.5.3 Tiến hành thí nghiệm 22 SVTH: Nhóm GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga 148 2.5.4 Khả hấp phụ H2S vật liệu lọc 24 2.5.5 Khả tái sử dụng vật liệu lọc .27 2.5.6 Nhận xét 30 2.6 Lọc H2S biogas vật liệu bentonite [1] .31 2.6.1 Ảnh hưởng phương pháp chuẩn bị vật liệu lọc đến khả lọc H2S bentonite 31 2.6.2 Buồng lọc H2S bentonite 34 2.6.3 Tái sinh chất hấp phụ 35 2.7 Kết luận lọc H2S 36 2.8 Nén biogas [1] 37 2.8.1 Tính tốn cơng suất nén biogas 37 2.8.2 Tính tốn hiệu lưu trữ khí biogas phương pháp nén [1] .38 2.9 Hệ thống lưu trữ Biogas .39 Chương 3: Sản xuất nhiên liệu hydrogen làm giàu nhiên liệu cho động đốt 42 3.1 Những vấn đề môi trường việt nam toàn cầu 42 3.1.1 Vấn đề ô nhiễm môi trường 42 3.1.2 Sự ô nhiễm môi trường chất thải động 42 3.2 Nhiên liệu Hydrogen 46 3.2.1 Nguồn gốc, thành phần cấu tạo hudrogen .46 3.2.2 Khả ứng dụng thực tiễn 48 3.3 Sản xuất Hydrogen 51 3.3.1 Giai đoạn sản xuất khí tổng hợp 51 3.3.2 Phản ứng water gas shift .56 3.4 Hệ thống lưu trữ Hydrogen 59 3.4.1 Tồn chứa H2 dạng khí nén áp suất cao 59 3.4.2 Tồn chứa H2 dạng khí hóa lỏng 59 3.4.3 Tồn chứa H2 dạng hợp chất 60 3.4.4 Tồn chứa H2 vi cầu thủy tinh 61 3.5 Sử dụng nhiên liệu hydrogen động đốt .61 Các phương án cung cấp hydrogen cho động đốt trong: 61 Chương 4: Thiết kế hệ thống cung cấp biogas làm giàu hydrogen cho động đánh lữa cưỡng cỡ nhỏ 64 4.1 Đặc điểm hệ thống nhiên liệu động xăng .64 4.1.1 Nhiệm vụ yêu cầu hệ thống nhiên liệu động xăng 64 SVTH: Nhóm GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga 149 4.1.2 Phân loại hệ thống nhiên liệu động xăng dùng chế hịa khí .64 4.1.3 Phân loại chế hịa khí 65 4.3 LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ CHUYỂN ĐỔI 68 4.3.1 Yêu cầu động sử dụng nhiên liệu Biogas 68 4.3.2 Chuyển đổi động xăng thành động sữ dụng nhiên liệu khí 68 4.4 Các phương án điều tốc động tĩnh chạy biogas 70 4.4.1 Van tiết lưu khí 70 4.4.2 Van công suất điều khiển chân không 71 4.4.3 Hệ thống hai van chân không 72 4.4.4 Hệ thống ba van chức với van làm đậm kiểu khí 73 4.4.5 Hệ thống biogas/xăng độc lập với điều tốc điện từ 73 4.4.6 Hệ thống phối hợp xăng/biogas với điều tốc điện từ 74 4.5 Mơ q trình cháy động biogas đánh lửa cưỡng .75 4.5.1 Ảnh hưởng yếu tố vận hành đến trình cháy động biogas đánh lửa cưởng .75 4.5.2 Mơ q trình hịa trộn Biogas Hydrogen máy phát điện xăng GX120 76 4.6 Hệ thống cung cấp biogas làm giàu hydrogen động đánh lủa cưỡng cỡ nhỏ 101 4.6.1 Bản chất kỉ thuật giải pháp 101 4.6.2 Mô tả giải pháp 101 4.6.3 Tính tốn thiết kế hệ thống cung cấp hỗn hợp nhiên liệu Biogas hydro 102 4.6.3.1 Giới thiệu phương án cung cấp nhiên liệu 102 4.6.3.2 Cơ sở lý thuyết điều chỉnh thành phần hỗn hợp .102 4.6.3.3 Đặc tính chế hịa khí 103 4.6.3.4 Xác định Gk qua chế hịa khí đơn giản 104 4.6.3.5 Xác định Gnl qua chế hịa khí đơn giản 105 4.6.4 Lựa chọn phương án thiết kế hỗn hợp .106 4.6.4.1 Yêu cầu hỗn hợp .106 4.6.4.2 Kết cấu số hỗn hợp 106 4.6.4.3 Lựa chọn hỗn hợp 109 4.6.5 Tính toán thiết kế hỗn hợp 110 4.6.5.1 Buồng hỗn hợp 110 4.6.5.2 Xác định kích thước họng 111 4.6.5.3 Xác định kích thước vịi cấp Biogas 112 SVTH: Nhóm GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga 150 4.6.5.4 Xác định kích thước vịi cấp Biogas không tải 113 4.6.6 Sơ đồ hệ thống lưỡng nhiên liệu hỗn hợp khí Biogas làm giàu Hydrogen – Xăng 113 Chương 5: Thiết kế hệ thống cung cấp biogas làm giàu hydrogen cho động dual fuel tĩnh 115 5.1.1 Nguyên lý làm việc động dual – nhiên liệu khí đánh lửa tia lửa mồi diesel 115 5.1.2 Hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas làm giàu hydrogen 117 5.1.2.1 Trường hợp phun hỗn hợp biogas-hydrogen 117 5.2.1 Yêu cầu ổn định tốc độ động tĩnh 125 5.2.2 Các kỹ thuật ổn định tốc độ động .126 5.2.2.1 Điều khiển tay 126 5.2.2.2 Điều khiển tự động .127 5.2.2.3 Điều khiển bán tự động 128 5.3 Bộ điều tốc khí động EV2600-NB 128 5.3.2 Cấu tạo điều tốc khí 128 5.3.3 Nguyên lý làm việc điều tốc 129 Chương 6: Thực nghiệm 130 6.1 Thực nghiệm sản xuất hạt lọc bentonite 130 6.1.2 Máy ép đùn .130 6.1.1 Máy ve viên bentonite .133 6.1.3 Thiết kế hệ thống lọc .134 6.2 Sản xuất Hydrogen .135 6.2.1 Cơ sở lý thuyết 135 6.2.2 Tính tốn lượng Hydrogen cần thiết để sử dụng cho động giờ.140 6.2.3 Qúa trình thực 141 KẾT LUẬN 146 TÀI LIỆU THAM KHẢO .147 MỞ ĐẦU SVTH: Nhóm GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga 151 Bảng 2.1 Sản lượng CH4 với nguồn nguyên liệu khác [1] 17 Bảng 3.1 Bảng thống kê chất có khí thải động xe .44 Bảng 3.2 Bảng tính chất vật lý Hydro 47 Bảng 6.1 Bảng kết thực nghiệm 144 Hình 1.1 Động HONDA GX120 Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động HONDA GX120 11 Hình 1.3 Hệ thống phun 12 Hình 1.4 Hệ thống không tải .12 Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống sản xuất Biogas 14 Hình 2.2 Các giai đoạn hình thành biogas từ chất hữu 15 Hình 2.3 Sơ đồ ứng dụng Biogas 17 Hình 2.4 Sơ đồ quy trình xử lý khí H2S phương pháp hấp phụ 22 Hình 2.5 Dụng cụ thí nghiệm hiệu xử lí H2S 24 Hình 2.6 Hiệu xử lý H2S phoi sắt 24 Hình 2.7 Hiệu xử lý H2S bentonite 25 Hình 2.8 Hiệu xử lý H2S diatonite lọc liên tục 26 Hình 2.9 Hiệu xử lý H2S diatonite lọc gián đoạn 26 Hình 2.10 Mẫu phoi sắt sau lọc Hình 2.11 Mẫu phoi sắt sau hoàn nguyên 28 Hình 2.12 Hiệu lọc khí H2S phoi sắt hồn nguyên .28 Hình 2.13 Hiệu lọc khí H2S bentonite hồn ngun 29 Hình 2.14 Mẫu bentonit trước sau lọc 29 Hình 2.15 Hiệu lọc khí H2S diatomite hồn ngun 30 Hình 2.16 Mẫu diatomit trước sau lọc 30 Hình 2.17 So sánh khả hấp phụ H2S biogas loại vật liệu hấp phụ .31 Hình 2.18 Mẫu bentonite ve viên máy ve viên (a) ép đùn (b) 32 Hình 2.19 Sơ đồ bố trí hệ thống thử nghiệm tính cột lọc H 2S bentonite .33 Hình 2.20 Biến thiên cơng suất nén theo áp suất biogas đầu khí có thành phần 60% CH4, 40% CO2 37 Hình 2.21 Biến thiên lượng tích lũy biogas theo áp suất nén SVTH: Nhóm Hình 2.22 Hiệu lượng sử dụng biogas nén .39 GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga 152 Hình 3.2 Ở nhiều thành phố lớn giới, mức độ nhiễm khơng khí ngày nghiêm trọng, phần lớn số phương tiện giao thơng q nhiều, đồng nghĩa lượng khí thải môi trường vượt mức cho phép 45 Hình 3.3 Khả cháy nổ hổn hợp khí hydro khơng khí 47 Hình 3.4 So sánh khả cháy khí hydro với nhiên liệu khác 48 Hình 3.5 Động sử dụng H2 kết hợp xăng dầu 49 Hình 3.6 Quy trình trình sản xuất hydrogen .51 Hình 3.8 Xúc tác SK-201-2 57 Hình 3.9 Tách CO CO2 58 Hình 3.10: Tồn chứa H2 dạng khí nén áp suất cao 59 Hình 3.11 Tồn chứa H2 ống carbon nano rỗng 61 Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý hệ thống cung cấp Hydrogen cho động 62 Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý hệ thống cung cấp Hydrogen điều khiển điện tử 63 Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động có chế hịa khí dùng ơtơ .65 Hình 4.2 Hệ thống khơng tải 67 Hình 4.3 Ảnh hưởng tỷ số nén động đến công suất, nhiên liệu 100%methan .69 Hình 4.4 Góc đánh lửa sớm tối ưu (Stahl, 1982) .70 Hình 4.5 Van tiết lưu kiểu khí .70 Hình 4.6 Van cơng suất kiểu chân khơng 72 Hình 4.7 Hệ thống van chân không 72 Hình 4.8 Hệ thống van chức với van làm đậm kiểu khí 73 Hình 4.9 Hệ thống van chức với van làm đậm kiểu điện từ 74 Hình 4.10 Hệ thống phối hợp xăng/biogas với điều tốc điện 75 Hình 4.11 Ảnh hưởng thành phần nhiên liệu đến áp suất hỗn hợp buồng cháy 94 Hình 4.12 Ảnh hưởng thành phần nhiên liệu đến công thị 95 Hình 4.13 Ảnh hưởng thành phần nhiên liệu đến nhiệt độ hỗn hợp buồng cháy 95 Hình 4.14 Ảnh hưởng tốc độ động đến biến thiên áp suất hỗn hợp buồng cháy 96 Hình 4.15 Ảnh hưởng tốc độ động đến biến thiên nhiệt độ hỗn hợp buồng cháy 96 Hình 4.16 Ảnh hưởng tốc độ động đến biến thiên công thị hỗn hợp buồng cháy 96 SVTH: Nhóm GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga 153 Hình 4.17 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến biến thiên áp suất hỗn hợp buồng cháy 97 Hình 4.18 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến nhiệt độ hỗn hợp buồng cháy 98 Hình 4.19 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến ϕi hỗn hợp buồng cháy .98 Hình 4.20 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến cơng thị 99 Hình 4.21 Ảnh hưởng hệ số đậm đặc đến biến thiên áp suất hỗn hợp buồng cháy 99 Hình 4.22 Ảnh hưởng hệ số đậm đặc đến biến thiên áp suất hỗn hợp buồng cháy 100 Hình 4.23 Ảnh hưởng ϕi đến công thị 100 Hình 4.24 Cách lắp ráp phụ kiện lên động tĩnh cưởng 101 Hình 4.25 Sơ đồ tính tốc độ khơng khí qua họng Wh 104 Hình 4.26 Sơ đồ đường xăng chế hịa khí đơn giản 105 Hình 4.27 Bộ trộn Venturi với lỗ khoan bố trí xung quanh họng 107 Hình 4.28 Họng Venturi với đường Biogas vào loại chiều 107 Hình 4.29 Họng Venturi với đường Biogas vào loại trực giao .108 Hình 4.30 Mặt cắt thể van hịa trộn khí 108 Hình 4.31 Kết cấu chế hịa khí dạng Modul hóa .109 Hình 4.32 Sơ đồ tính kích thước hỗn hợp .110 Hình 4.33 Sơ đồ hệ thống lưỡng nhiên liệu hỗn hợp khí Biogas Hydro - Xăng .113 Hình 5.1 Bản vẽ mặt cắt Gatec-20 116 Hình 5.2 Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu phun hỗn hợp biogas – hydrogen.117 Hình 5.3 Phân bố nồng độ CH4 buồng cháy theo góc quay trục khuỷu  119 Hình 5.4 Phân bố nồng độ H2 buồng cháy theo góc quay trục khuỷu  120 Hình 5.5 Đồ thị biểu diễn biến thiên nồng độ CH4 H2 buồng cháy 121 Hình 5.6 Sơ đồ cung cấp nhiên liệu phun riêng dual fuel biogas – hydrogen 121 Hình 5.7 Phân bố nồng độ CH4 buồng cháy theo góc quay trục khuỷu  123 Hình 5.8 Phân bố nồg độ H2 buồng cháy theo góc quay trục khuỷu  124 Hình 5.9 Đồ thị biểu diễn biến thiên nồng độ CH4 H2 buồng cháy 125 Hình 5.10 Cơ cấu điều tốc động EV2600-NB .128 Hình 6.1 Máy ve viên 133 Hình 6.2 Viên Bentonite 133 SVTH: Nhóm GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga 154 Hình 6.3 Cơ cấu đặt vòi phun 134 Hình 6.4 Máy ép đùn 130 Hình 6.5 Trộn Bentonite với nước 131 Hình 6.6 Ép đùn Bentonite .131 Hình 6.7 Sản phẩm ép đùn chưa phơi khô 132 Hình 6.8 Sản phẩm ép đùn sau phơi khô 132 Hình 6.9 Cột lọc H2S 134 Hình 6.10 Bên cột lọc H2S .135 Hình 6.11 Sự phụ thuộc độ dẫn điện riêng dd NaOH vào nồng độ nhiệt độ khác 138 Hình 6.12 Sơ đồ lắp đặt thiết bị 141 Hình 6.13 Pha dung dịch NaOH .142 Hình 6.14 Nắp hộp chứa dung dịch điện phân .143 Hình 6.15 Lắp đặt hồn chỉnh .143 Hình 6.16 Quá trình thực nghiệm 144 SVTH: Nhóm GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga 155 ... 50 Động sữ dụng nhiên liệu Biogas làm giàu Hydrogen - Pin nhiên liệu chạy êm, không gây tiếng động, chấn động động - đốt trong; hiệu suất sử dụng cao tiết kiệm lượng Pin nhiên liệu sử dụng H2 làm. .. lưu trữ nhiên liệu biogas sử dụng cho động đốt Chương 2: Sản xuất nhiên liệu hydrogen làm giàu nhiên liệu cho động đốt Chương 3: Thiết kế hệ thống cung cấp biogas làm giàu hydrogen cho động đánh... đề tài ? ?Động sử dụng nhiên liệu biogas làm giàu hydrogen? ?? có ý nghĩa to lớn cấp thiết; khơng góp phần SVTH: Nhóm GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga Động sử dụng nhiên liệu Biogas làm giàu Hydrogen làm đa