Ảnh hưởng của thành phần hỗn hợp đến tính năng động cơ tĩnh tại chạy bằng biogas bổ sung LPG

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - NGUYỄN ĐỨC HOÀNG C C R L T NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÀNH PHẦN HỖN HỢP ĐẾN TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ TĨNH TẠI CHẠY BẰNG BIOGAS BỔ SUNG LPG DU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Đà Nẵng – Năm 2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - NGUYỄN ĐỨC HOÀNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÀNH PHẦN HỖN HỢP ĐẾN TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ TĨNH TẠI CHẠY BẰNG BIOGAS BỔ SUNG LPG C C R L T DU Chuyên ngành : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số : 85.20.11.6 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS TSKH BÙI VĂN GA TS TRƯƠNG LÊ BÍCH TRÂM Đà Nẵng – Năm 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu kết trình bày luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác TÁC GIẢ LUẬN VĂN NGUYỄN ĐỨC HOÀNG C C DU R L T NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÀNH PHẦN HỖN HỢP ĐẾN TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ TĨNH TẠI CHẠY BẰNG BIOGAS BỔ SUNG LPG Học viên: Nguyễn Đức Hoàng Mã số: 85.20.11.6 Chun ngành: Kỹ thuật khí động lực Khóa:K36 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Luận văn trình bày kết mơ ảnh hưởng hàm lượng LPG đến tính kỹ thuật mức độ phát thải NOx, CO, HC động đánh lửa cưỡng cung cấp nhiên liệu kiểu hybrid Ở điều kiện vận hành cho trước, công thị chu trình Wi, nhiệt độ T nồng độ NOx tăng tăng nồng độ LPG hoặc/và nồng độ CH4 đạt giá trị cực đại hệ số tương đương biến thiên Tốc độ tăng nồng độ NOx theo hàm lượng LPG so với Wi T Việc bổ sung LPG có lợi động cung cấp hỗn hợp nghèo Sự hài hịa cơng thị chu trình nồng độ NOx đạt nhờ điều chỉnh điều kiện vận hành động phù hợp chạy nhiên liệu biogas làm giàu LPG C C R L T RESEARCH EFFECTS OF EQUIVALENCE RATIO ON STATIONARY ENGINE WITH BIOGAS ADDITIONAL LPG DU Từ khóa: Nhiên liệu tái tạo; Biogas; Khí LPG; Hydrogen; Động biogas Abstract - A numerical simulation was conducted to investigate effects of LPG addition on performance and Nox, CO, HC emission of a hybrid fueling SI engine At a given operating condition, indicative work cycle Wi, combustion temperature T and NOx concentration increase with increasing of LPG or/and CH4 concentrations and reaches peak value as variation of equivalence ratio The rate of increasing NOx concentration with LPG concentration is much higher than that of Wi and T The addition LPG is more interesting as biogas engine operates with lean mixture A compromise between performance and NOx emission can be obtained by appropriate adjustment of operating conditions of the engine fueled with biogas enriched by LPG Keywords: Renewable fuels; Biogas; LPG gas; Hydrogen; Biogas engines MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1 Vấn đề cấp bách mơi trường tồn cầu Việt Nam 1.2 Các loại nhiên liệu thay thế, tái tạo 1.2.1 Nhiên liệu Hydro .8 C C 1.2.2 Nhiên liệu khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG), khí thiên nhiên (CNG) .8 R L T 1.2.3 Nhiên liệu sinh học 1.3 Tình hình sản xuất ứng dụng Biogas giới Việt Nam 10 DU 1.3.1 Tình hình sản xuất Biogas giới năm gần 10 1.3.2 Tình hình sản xuất ứng dụng Biogas Việt Nam 14 1.4 Tình hình sản xuất, ứng dụng Nhiên liệu LPG 17 1.4.1 Tình hình sản xuất LPG 17 1.4.2 Tính ứng dụng LPG 20 NHIÊN LIỆU BIOGAS BỔ SUNG LPG 22 2.1 Nhiên liệu biogas 22 2.1.1 Giới thiệu Biogas 22 2.1.2 Đặc tính Biogas 23 2.1.3 Sản xuất, tinh lọc, lưu trữ Biogas 26 2.1.4 Yêu cầu chất lượng Biogas sử dụng cho động đốt 31 2.2 Nhiên liệu LPG 34 2.2.1 Giới thiệu LPG 34 2.2.2 Đặc tính LPG 35 2.2.3 Ứng dụng LPG động đốt .37 2.3 Nhiên liệu Biogas làm giàu LPG 39 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH NẠP VÀ CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ SAMDI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIOGAS ĐƯỢC LÀM GIÀU BỞI LPG 41 3.1 Mơ q trình nạp nhiên liệu Biogas làm giàu LPG 41 3.1.1 Cải tạo đường nạp động Samdi 41 3.1.2 Kết mô 44 3.1.3 Kết luận 48 3.2 Mơ tính mức độ phát thải ô nhiễm động Samdi chạy biogas làm giàu LPG .49 3.2.1 Thiết lập mơ hình tính tốn .49 3.2.2 Kết mô 50 C C 3.2.3 Kết luận 57 R L T Thực nghiệm đo đạc mức độ phát thải động Samdi SB3600 chạy Biogas bổ sung LPG 59 DU 4.1 Trang thiết bị thực nghiệm 59 4.1.1 Máy phát điện Samdi 59 4.1.2 Dàn bóng đèn cơng suất lớn 61 4.1.3 Bộ phụ kiện Gatec 26 62 4.1.4 Máy đo nồng độ khí thải Opus 400 64 4.1.5 Đồng hồ đo cơng suất dịng điện .66 4.2 Quá trình thực nghiệm .66 4.3 Bảng kết thực nghiệm 68 4.4 So sánh đánh giá công suất máy phát điện sinh ra: .68 4.5 So sánh ảnh hưởng nồng độ LPG đến mức độ phát thải CO lý thuyết thực nghiệm 69 4.6 So sánh mức độ phát thải HC thay đổi nồng độ LPG hỗn hợp nhiên liệu mô thực nghiệm .69 4.7 So sánh mức độ phát thải CO2 thay đổi nồng độ LPG hỗn hợp nhiên liệu mô thực nghiệm 70 4.8 Kết luận 71 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 72 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 C C DU R L T DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1: Công suất động chạy biogas M7C3 làm giàu 50% LPG 51 Bảng 3.2: Công suất động chạy biogas M7C3 làm giàu 50% LPG ứng với tốc độ khác 52 Bảng 3.3: Công suất động chạy biogas M7C3 làm giàu LPG với hàm lượng khác tốc độ 4000 vòng/phút 53 Bảng 3.4: Ảnh hưởng hàm lượng LPG pha vào biogas M7C3 đến nồng độ CO khí thải 54 Bảng 3.5: Ảnh hưởng hàm lượng LPG pha vào biogas M7C3 đến nồng độ HC khí thải 55 Bảng 3.6: Ảnh hưởng hàm lượng LPG pha vào biogas M7C3 đến nồng độ NOx khí thải 56 Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật máy phát điện SAMDI S3600B 60 Bảng 4.2: Kết thực nghiệm .68 Bảng 4.3: Bảng số liệu so sánh công suất động ( mô phỏng) công suất máy phát điện ( thực nghiệm) 68 Bảng 4.4: Bảng số liệu so sánh nồng độ phát thải CO khí xả thực nghiệm mô 69 Bảng 4.5: Bảng số liệu so sánh mức độ phát thải HC thay đổi nồng độ LPG hỗn hợp nhiên liệu mô thực nghiệm 70 C C DU R L T DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Biến thiên nhiệt độ khí gần mặt đất qua thời kỳ băng hà [16] .3 Hình 1.2 Biến thiên nhiệt độ khí so với nhiệt độ trung bình 1961-1990 [16] Hình 1.3: Biến thiên nhiệt độ trung bình khí gần mặt đất nồng độ CO2 tương ứng [16] Hình 1.4: Dự báo dâng cao mực nước biển kỉ 21 theo mơ hình tốn họa khác [16] Hình 1.5 Nguy chìm ngập Đơng Nam Á [16] Hình 1.6 Sự dịch chuyển dịng đại dương [16] Hình 1.7 Kịch cắt giảm phát thải CO2 theo COP21 [16] .7 Hình 1.8 : Cơ cấu lượng tương lai cho phương tiện giao thông giới[16] Hình 1.9 Sản lượng biogas nước EU năm 2009[16] .11 Hình 1.10 Phân bố nguồn sử dụng biogas Châu Âu năm 2010 dự báo năm 2020 [16] .12 Hình 1.11 Cơng suất điện chạy biogas Châu Âu [16] 12 Hình 1.12 Bộ Gatec-20 lắp động RV70 kéo máy phát 3KVA lắp gatec-20 [16] 17 Hình 1.13: Sản lượng gas nhập vào thành phố HCM (tấn/năm) [18] .18 Hình 1.14: Dự báo nhu cầu sử dụng LPG số thành phố lớn Việt Nam (tấn/năm) [18] 19 Hình 1.15 Dự báo nhu cầu sử dụng LPG cho giao thông Việt Nam (tấn/năm)[18] .20 Hình 2.1 Sơ đồ trung hòa carbon nhiên liệu Biogas [16] 22 Hình 2.2 Nhiệt trị biogas theo khối lượng riêng phần trăm thể tích [16] .24 Hình 2.3 Khối lượng riêng khí biogas theo thành phần CH4 & CO2 điều kiện tiêu chuẩn [16] 24 Hình 2.4 Giới hạn cháy phụ thuộc vào % thể tích CHvà nước khí biogas.[16] .25 Hình 2.5 Nhiệt độ cháy phụ thuộc vào % thể tích CHvà nước khí biogas.[16] .25 Hình 2.6 Sơ đồ tổng quát trình sản xuất, tinh lọc lưu trữ.[16] 26 Hình 2.7 Yêu cầu lọc tạp chất biogas giải pháp sản xuất điện khác nhau[16] 27 Hình 2.8 Phoi sắt bị oxy hóa[16] 30 Hình 2.9 Diatomite Phú Yên[16] 31 Hình 2.10 Công thức cấu tạo propan 35 C C DU R L T Hình 2.11 Cơng thức hóa học n – butan .35 Hình 2.12 Cơng thức hóa học iso – butan 35 Hình 3.1 Thiết kế cải tạo hệ thống nạp động Samdi 42 Hình 3.2: Chia lưới khơng gian tính tốn 43 Hình 3.3c: BG0, M7C3, 50% LPG, n4000,ϕ =1, BLEND, a=330CA .45 Hình 3.4c: BG0, M7C3, 50% LPG, n4000, ϕ=1, DUAL, a=330CA .47 Hình 3.5: So sánh phân bố hệ số tương đương (BG0, M7C3, 50% LPG, n4000, fi=1) .47 Hình 3.6: Ảnh hưởng phương thức phun đến biến thiên hệ số tương đương xi lanh động 48 Hình 3.7: Ảnh hưởng thành phần hỗn hợp đến biến thiên áp suất theo góc quay trục khuỷu (Biogas M7C3, 50% LPG, n=4000 vịng/phút) 51 Hình 3.8: Ảnh hưởng tốc độ động đến biến thiên áp suất theo góc quay trục khuỷu (Biogas M7C3, 50% LPG, fi=1) 52 Hình 3.9: Ảnh hưởng hàm lượng LPG pha vào biogas đến biến thiên áp suất theo góc quay trục khuỷu (Biogas M7C3, n=4000 vòng/phút, fi=1) 53 Hình 3.10 Ảnh hưởng hàm lượng LPG pha vào biogas đến biến thiên nồng độ CO theo góc quay trục khuỷu (Biogas M7C3, n=4000 vịng/phút, fi=1) 54 Hình 3.11: Ảnh hưởng hàm lượng LPG pha vào biogas đến biến thiên nồng độ HC theo góc quay trục khuỷu (Biogas M7C3, n=4000 vịng/phút, fi=1) 55 Hình 3.12: Ảnh hưởng hàm lượng LPG pha vào biogas đến biến thiên nồng độ NOx theo góc quay trục khuỷu (Biogas M7C3, n=4000 vịng/phút, fi=1) 56 Hình 3.13: Ảnh hưởng hàm lượng LPG pha vào Biogas đến biến thiên nồng độ CO2 theo góc quay trục khuỷu (Biogas M7C3, n=4000 vịng/phút, fi=1) 57 Hình 4.1 : Máy phát điện SAMDI S3600B .59 Hình 4.2: Mơ hình động kéo máy phát điện SAMDI S3600B 59 Hình 4.3: Động SAMDI S3600B 60 Hình 4.4: Dàn bóng đèn cơng suất lớn 61 Hình 4.5: Bộ Gatec-26-2 62 Hình 4.6: Mặt cắt GATEC 26-2 63 Hình 4.7: Máy đo nồng độ khí thải OPUS 400 64 Hình 4.8: Đồng hồ đo cơng suất dịng điện .66 Hình 4.9: Một số hình ảnh trình thực nghiệm 67 Hình 4.10: So sánh biến thiên cơng suất động theo hàm lượng LPG cho mô hình thực nghiệm (Biogas M7C3, =1, s=22) 69 Hình 4.11: So sánh biến thiên nồng độ CO khí thải động Samdi S3600 theo hàm lượng LPG pha vào biogas M7C3 cho mô thực nghiệm (=1, s=22) .69 C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T ... "Ảnh hưởng thành phần hỗn hợp đến tính động tĩnh chạy Biogas bổ sung LPG" để tiếp tục nghiên cứu vấn đề C C DU R L T 2 Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu ảnh hưởng thành phần hỗn hợp động chạy biogas. .. thực chưa cơng bố cơng trình khác TÁC GIẢ LUẬN VĂN NGUYỄN ĐỨC HOÀNG C C DU R L T NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÀNH PHẦN HỖN HỢP ĐẾN TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ TĨNH TẠI CHẠY BẰNG BIOGAS BỔ SUNG LPG Học viên:... NGUYỄN ĐỨC HOÀNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÀNH PHẦN HỖN HỢP ĐẾN TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ TĨNH TẠI CHẠY BẰNG BIOGAS BỔ SUNG LPG C C R L T DU Chuyên ngành : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số : 85.20.11.6