Luận án nhằm hướng đến mục tiêu đánh giá khả năng sử dụng syngas thay thế diesel truyền thống dùng cho động cơ diesel - máy phát điện, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của việc sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/syngas đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ. Để biết rõ hơn về nội dung chi tiết, mời các bạn cùng tham khảo.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - BÙI VĂN CHINH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG KHÍ TỔNG HỢP TỪ SINH KHỐI CHO ĐỘNG CƠ DIESEL PHÁT ĐIỆN CỠ NHỎ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hà Nội - 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - BÙI VĂN CHINH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG KHÍ TỔNG HỢP TỪ SINH KHỐI CHO ĐỘNG CƠ DIESEL PHÁT ĐIỆN CỠ NHỎ Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực Mã số: 62520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS KHỔNG VŨ QUẢNG PGS.TS PHẠM VĂN THỂ Hà Nội - 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu riêng Các số liệu kết nêu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác! Hà Nội, ngày 07 tháng 12 năm 2016 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN NGHIÊN CỨU SINH PGS.TS Khổng Vũ Quảng Bùi Văn Chinh PGS.TS Phạm Văn Thể -i- LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Sau đại học, Viện Cơ khí Động lực Bộ môn Động đốt trong, Viện tiên tiến Khoa học Công nghệ cho phép thực luận án Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học Viện Cơ khí Động lực hỗ trợ giúp đỡ suốt q trình tơi làm luận án Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Khổng Vũ Quảng PGS.TS Phạm Văn Thể hướng dẫn tận tình chu đáo mặt chun mơn để tơi thực hồn thành luận án Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ mơn Phịng thí nghiệm Động đốt - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội giúp đỡ dành cho điều kiện thuận lợi để hồn thành luận án Tơi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phạm Hoàng Lương Chủ nhiệm đề tài, Phịng thí nghiệm Hệ thống Năng lượng nhiệt, Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt lạnh, Viện Kỹ thuật Hóa - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện giúp đỡ thực chế tạo giúp đỡ suốt q trình tơi tham gia làm thực nghiệm Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Ban lãnh đạo Khoa Cơng nghệ Ơtơ thầy Khoa hậu thuẫn động viên suốt q trình nghiên cứu học tập Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy phản biện, thầy hội đồng chấm luận án đồng ý đọc duyệt góp ý kiến quý báu để tơi hồn chỉnh luận án định hướng nghiên cứu tương lai Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình bạn bè, người động viên khuyến khích suốt thời gian tham gia nghiên cứu thực cơng trình Nghiên cứu sinh Bùi Văn Chinh - ii - MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ix MỞ ĐẦU i Mục đích, đối tƣợng phạm vi nghiên cứu ii Phƣơng pháp nghiên cứu iii Ý nghĩa khoa học thực tiễn iv Tính Luận án v Các nội dung CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan nhiên liệu sinh học 1.1.1 Giới thiệu chung nhiên liệu sinh học 1.1.2 Chiến lược phát triển sử dụng NLSH Việt Nam 1.2 Khái quát chung, ƣu, nhƣợc điểm syngas 10 1.2.1 Khái quát chung syngas 10 1.2.2 Tính chất lý hóa syngas 11 1.2.3 Ưu, nhược điểm syngas 12 1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu sản xuất syngas từ sinh khối 13 1.3.1 Nghiên cứu sản xuất syngas giới 13 1.3.2 Nghiên cứu sản xuất syngas Việt Nam 15 1.4 Tình hình nghiên cứu sử dụng syngas cho ĐCĐT 21 1.4.1 Trên giới 22 1.4.2 Tại Việt Nam 27 1.5 Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu 27 1.6 Kết luận chƣơng 28 CHƢƠNG HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ LƢỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL/SYNGAS 29 2.1 Đặc điểm trình cháy lƣỡng nhiên liệu diesel/syngas cho động diesel 29 - iii - 2.2 Cơ chế hình thành hỗn hợp cháy sử dụng lƣỡng nhiên liệu diesel/syngas cho động diesel 30 2.2.1 Quá trình hình thành hỗn hợp 30 2.2.2 Quá trình cháy 31 2.3 Cơ sở tính tốn q trình cấp syngas 36 2.3.1 Yêu cầu trình cấp syngas đường nạp động 36 2.3.2 Cơ sở lý thuyết phần mềm mô CFD Fluent 37 2.4 Cơ sở lý thuyết tính tốn q trình cháy lƣỡng nhiên liệu diesel/syngas cho động diesel 42 2.4.1 Cơ sở lý thuyết mơ q trình cháy 42 2.4.2 Quy luật cháy mơ hình cháy 47 2.4.3 Mơ hình tính tốn thành phần phát thải 50 2.5 Kết luận chƣơng 53 CHƢƠNG MÔ PHỎNG CUNG CẤP SYNGAS VÀ CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ MITSUBISHI S3L2 SỬ DỤNG DIESEL/SYNGAS 55 3.1 Giới thiệu chung 55 3.2 Đối tƣợng nghiên cứu mô 56 3.3 Chuyển đổi động diesel thành động sử dụng lƣỡng nhiên liệu diesel/syngas 57 3.3.1 Động sử dụng lưỡng nhiên liệu 57 3.3.2 Cơ sở tính tốn đường ống cấp syngas đường nạp động 58 3.4 Nghiên cứu mơ q trình cháy động diesel sử dụng lƣỡng nhiên liệu diesel/syngas 64 3.4.1 Nghiên cứu mô động lưỡng nhiên liệu diesel/syngas 64 3.4.2 Trình tự tính tốn mơ 66 3.4.3 Kết thảo luận 67 3.5 Kết luận chƣơng 89 CHƢƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 91 4.1 Mục tiêu phạm vi thực nghiệm 91 4.2 Thiết bị chế độ thực nghiệm 91 4.2.1 Động thực nghiệm 91 4.2.2 Máy phát điện DT12-MS 91 4.2.3 Nhiên liệu thực nghiệm 92 4.2.4 Sơ đồ hệ thống thực nghiệm 92 - iv - 4.2.5 Thiết kế chế tạo đường cấp syngas đường nạp động thực nghiệm 93 4.2.6 Thiết kế chế tạo đường ống xả cho động lắp đặt đầu cảm biến 95 4.2.7 Thiết bị phân tích phát thải khí 96 4.2.8 Bộ điều khiển tải nhiệt điện trở 97 4.2.9 Thiết bị đo công suất điện 97 4.2.10.Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu diesel 98 4.2.11.Các thiết bị đo khác 99 4.2.12.Chế độ thực nghiệm 101 4.3 Kết thực nghiệm thảo luận 102 4.3.1 Ảnh hưởng lưu lượng syngas đến hệ số dư lượng khơng khí 102 4.3.2 Ảnh hưởng lưu lượng syngas đến công suất 103 4.3.3 Ảnh hưởng lưu lượng syngas đến tính kinh tế 105 4.3.4 Đánh giá thành phần khí thải động 105 4.3.5 Lượng diesel thay ứng với lưu lượng syngas khác 108 4.4 So sánh kết tính tốn mô với kết thực nghiệm 110 4.5 Kết luận chƣơng 112 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 113 Kết luận chung 113 Hƣớng phát triển đề tài 114 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO 116 PHỤ LỤC 121 -v- DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải Đơn vị Syngas Nhiên liệu khí tổng hợp sản xuất từ sinh khối - ĐCĐT Động đốt - CO Mônôxit cácbon %vol HC Hydro cácbon ppm NOx Ơxit nitơ ppm CO2 Cácboníc %vol PM Phát thải dạng hạt %vol SOx Thành phần ơxít lưu huỳnh soot Bồ hóng %DOtt AVL-DiSmoke 4000 AVL-DiGas 4000 A/F g/L g/kW.h Phần trăm nhiên liệu diesel cắt giảm % Thiết bị phân tích khí thải dạng hạt động hãng AVL - Thiết bị phân tích thành phần khí thải động hãng AVL - Hệ số dư lượng khơng khí lamda - T lệ khơng khí nhiên liệu - Tsyngas Nhiệt độ dịng syngas cấp cho động Vsyngas Tốc độ dòng syngas cấp cho động m/s Van điều chỉnh lưu lượng gió m/s Ne Công suất kW Gnl Lưu lượng tiêu thụ nhiên liệu g/h Gkk Lưu lượng khơng khí nạp kg/h Góc phun sớm o Ratometer ϕs o C TK TCCP Tiêu chuẩn cho phép - TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam - BSEC Suất tiêu hao lượng g/kW.h AVL-Boost Phần mềm mơ q trình cháy hãng AVL AVL-MCC Mơ hình cháy hãng AVL - MP Mơ - TN Thực nghiệm - Tar Hydro cácbon cao phân tử - DO Nhiên liệu diesel - DO-S Lưỡng nhiên liệu diesel/syngas - NLSH Nhiên liệu sinh học - - vi - DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tính chất lý hóa H2 , CO CH4 [12] 11 Bảng 1.2 So sánh giá trị kinh tế đơn vị nhiệt trị sử dụng nhiên liệu truyền thống nhiên liệu syngas Việt Nam [59] 12 Bảng 1.3 Thành phần công nghệ số sinh khối phổ biến [12, 34] 19 Bảng 1.4 Thành phần hóa học số sinh khối phổ biến [12, 34] 19 Bảng 1.5 Các thành phần khí có syngas sản xuất từ loại nguyên liệu than hoa, gỗ mẩu mùn cưa [12] 20 Bảng 2.1 Những phản ứng cháy syngas [56] 32 Bảng 2.2 Các hệ số phương trình trao đổi nhiệt cửa nạp thải 47 Bảng 2.3 Chuỗi phản ứng hình thành NOX, hệ số tốc độ k = ATBexp(-E/RT) [42] 51 Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật động Mitsubishi S3L2 56 Bảng 3.2 Các giá trị nhập cho điều kiện biên 61 Bảng 3.3 Giá trị điều kiện đầu 61 Bảng 3.4 Giá trị điều kiện ban đầu 62 Bảng 3.5 Số lượng phần tử để hồn thiện mơ hình 64 Bảng 3.6 Các thông số điều khiển chung cho mơ hình 64 Bảng 3.7 So sánh kết MP TN động Mitsubishi S3L2 65 Bảng 3.8 Ảnh hưởng lưu lượng syngas đến hệ số dư lượng khơng khí 68 Bảng 3.9 Lượng diesel tiêu thụ động sử dụng DO-S với lưu lượng syngas khác 69 Bảng 3.10 Suất tiêu hao lượng có ích BSEC động sử dụng DO-S với lưu lượng syngas khác 70 Bảng 3.11 Diễn biến áp suất xy lanh (bar) động sử dụng DO-S với lưu lượng syngas khác chế độ 50% tải tốc độ 1500 v/ph 71 Bảng 3.12 Diễn biến nhiệt độ xy lanh (K) động sử dụng DO-S với lưu lượng syngas khác chế độ 50% tải tốc độ 1500 v/ph 72 Bảng 3.13 Diễn biến tốc độ tỏa nhiệt (J độ) động sử dụng DO-S với lưu lượng syngas khác chế độ 50% tải tốc độ 1500 v/ph 74 Bảng 3.14 Tốc độ tăng áp suất cực đại xy lanh (bar độ) động sử dụng DO-S với lưu lượng syngas khác chế độ tải tốc độ 1500 v/ph 75 Bảng 3.15 Phát thải CO (ppm) động sử dụng DO-S với lưu lượng syngas khác chế độ tải tốc độ 1500 v/ph 75 Bảng 3.16 Phát thải độc hại NOx (ppm) động sử dụng DO-S với lưu lượng syngas khác chế độ tải tốc độ 1500 v/ph 76 Bảng 3.17 Phát thải độc hại soot (g kWh) động sử dụng DO-S với lưu lượng syngas khác chế độ tải tốc độ 1500 v/ph 77 Bảng 3.18 Ảnh hưởng góc phun sớm tới cơng suất động với lưu lượng syngas khác chế độ 50% tải tốc độ 1500 v/ph 77 Bảng 3.19 Ảnh hưởng góc phun sớm tới thành phần phát thải độc hại với lưu lượng syngas khác chế độ 50% tải tốc độ 1500 v/ph 78 Bảng 3.20 Ảnh hưởng áp suất phun tới công suất động với lưu lượng syngas khác chế độ 50% tải tốc độ 1500 v/ph 80 - vii - Bảng 3.21 Ảnh hưởng áp suất phun tới thành phần phát thải độc hại động với lưu lượng syngas khác chế độ 50% tải tốc độ 1500 v/ph 80 Bảng 3.22 Ảnh hưởng mẫu syngas than hoa (M1), mẩu gỗ (M2) mùn cưa (M3) tới hệ số dư lượng khơng khí với lượng syngas thay g/s 81 Bảng 3.23 Ảnh hưởng mẫu syngas than hoa (M1), mẩu gỗ (M2) mùn cưa (M3) tới công suất động với lượng syngas thay g/s 82 Bảng 3.24 Ảnh hưởng mẫu syngas than hoa (M1), mẩu gỗ (M2) mùn cưa (M3) tới lượng nhiên liệu diesel tiêu thụ với lượng syngas thay g/s 82 Bảng 3.25 Ảnh hưởng mẫu syngas than hoa (M1), mẩu gỗ (M2) mùn cưa (M3) tới suất tiêu hao lượng với lượng syngas thay g/s 83 Bảng 3.26 Ảnh hưởng mẫu syngas than hoa (M1), mẩu gỗ (M2) mùn cưa (M3) tới thành phần phát thải độc hại CO với lượng syngas thay g/s 83 Bảng 3.27 Ảnh hưởng mẫu syngas than hoa (M1), mẩu gỗ (M2) mùn cưa (M3) tới thành phần phát thải độc hại soot với lượng syngas thay g/s 83 Bảng 3.28 Ảnh hưởng mẫu syngas than hoa (M1), mẩu gỗ (M2) mùn cưa (M3) tới thành phần phát thải độc hại NOx với lượng syngas thay g/s 84 Bảng 3.29 Ảnh hưởng mẫu syngas than hoa (M1), mẩu gỗ (M2) mùn cưa (M3) tới áp suất xy lanh (bar) với lượng syngas thay g/s 85 Bảng 3.30 Ảnh hưởng mẫu syngas than hoa (M1), mẩu gỗ (M2) mùn cưa (M3) tới nhiệt độ xy lanh (K) với lượng syngas thay g/s 86 Bảng 3.31 Ảnh hưởng mẫu syngas than hoa (M1), mẩu gỗ (M2) mùn cưa (M3) tới tốc độ tỏa nhiệt (J độ) với lượng syngas thay g/s 87 Bảng 3.32 Ảnh hưởng mẫu syngas than hoa (M1), mẩu gỗ (M2) mùn cưa (M3) tới độ tăng áp suất cực đại (bar độ) với lượng syngas thay g/s 88 Bảng 4.1 Các thành phần syngas sản xuất từ than hoa 92 Bảng 4.2 Thông số kỹ thuật thiết bị đo công suất điện 98 Bảng 4.3 Thông số kỹ thuật thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu Fuel Consumption Meter FC-9521 98 Bảng 4.4 Thông số kỹ thuật thiết bị đo áp suất tăng áp PSA-1 100 Bảng 4.5 Thông số kỹ thuật cảm biến nhiệt độ TM-902C 100 Bảng 4.6 Ảnh hưởng lưu lượng syngas đến hệ số dư lượng khơng khí 102 Bảng 4.7 Ảnh hưởng lưu lượng syngas đến công suất 103 Bảng 4.8 So sánh suất tiêu hao lượng thay cho động sử dụng lưỡng nhiên liệu 105 Bảng 4.9 Ảnh hưởng lưu lượng syngas tới thành phần phát thải CO 106 Bảng 4.10 Ảnh hưởng lưu lượng syngas tới thành phần phát thải CO2 106 Bảng 4.11 Ảnh hưởng lưu lượng syngas tới thành phần phát thải NOx 106 Bảng 4.12 Ảnh hưởng lưu lượng syngas tới thành phần phát thải soot 107 Bảng 4.13 Lượng nhiên liệu diesel tiêu thụ chế độ thử nghiệm 109 Bảng 4.14 So sánh phát thải CO sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/syngas MP TN 110 Bảng 4.15 So sánh phát thải NOx sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/syngas MP TN 111 Bảng 4.16 So sánh phát thải soot sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/syngas MP TN 111 - viii - ... BÙI VĂN CHINH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG KHÍ TỔNG HỢP TỪ SINH KHỐI CHO ĐỘNG CƠ DIESEL PHÁT ĐIỆN CỠ NHỎ Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực Mã số: 62520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI... liệu khí thay phần nhiên liệu xăng, mặt khác nghiên cứu sử dụng syngas cho động diesel Việt Nam cịn bị hạn chế Do vậy, đề tài nghiên cứu sử dụng syngas sản xuất từ sinh khối cho động diesel máy phát. .. lƣỡng nhiên liệu diesel/ syngas cho động diesel Từ nhiều nghiên cứu lý thuyết sử dụng nhiên liệu khí, syngas cho động diesel cho thấy phần lớn động diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/ syngas cách