Nghiên cứu thử nghiệm sử dụng nhiên liệu nhũ tương để giảm phát thải khí NOx trong động cơ diesel tàu thủy

Bài báo giới thiệu kết quả nghiên cứu thử nghiệm sử dụng nhiên liệu nhũ tương được tạo thành từ hệ thống đồng thể hóa nước và nhiên liệu diesel cho động cơ diesel tàu thủy, nhằm giảm thiểu phát thải NOx trong khí thải của động cơ, đáp ứng Phụ lục VI Công ước Marpol 73/78 về bảo vệ môi trường biển của Tổ chức Hàng hải quốc tế (IMO).

TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU NHŨ TƯƠNG ĐỂ GIẢM PHÁT THẢI KHÍ NOx TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY EXPERIMENTAL STUDY THE USE OF EMULSION FUEL TO DECREASE NOx EMISSION IN MARINE DIESEL ENGINE ĐẶNG VĂN UY, NGUYỄN HUY HÀO*, NGUYỄN ĐẠI AN Trường Đại học Hàng hải Việt Nam *Email liên hệ: nghhao@vimaru.edu.vn Từ khóa: Nhiên liệu nhũ tương, động tàu thủy, phát thải NOx, Công ước Marpol 73/78, môi trường biển tất trường hợp, nhiên liệu nhũ tương chuẩn bị trước lưu trữ két chứa, với động diesel tàu thuỷ có mức tiêu thụ nhiên liệu lớn điều khơng phù hợp Chính việc nghiên cứu giải pháp hoà trộn nhiên liệu liên tục (online) cần thiết Để sử dụng nhiên liệu nhũ tương cho động cơ, hệ thống nhiên liệu truyền thống động cần thiết kế lắp đặt thêm thiết bị tạo nhiên liệu nhũ tương cung cấp cho động Các kết thử nghiệm trình bày thực động diesel tàu thuỷ Hanshin 6LU32 lắp đặt Trung tâm Nghiên cứu hệ động lực thuộc Khoa Máy tàu biển Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Abstract Nội dung The paper introduces the experrimental research results using emulsion fuel created from the emulsionizing system of water and diesel oil on the marine diesel engine to decreasre NO x emission in the exhaust gases satisfying the Annex VI of the International Convention for the Prevention of Pollution from ships Marpol 73/78 2.1 Lựa chọn sơ đồ hệ thống tạo nhiên liệu nhũ tương cho động diesel Hanshin 6LU32 Tóm tắt Bài báo giới thiệu kết nghiên cứu thử nghiệm sử dụng nhiên liệu nhũ tương tạo thành từ hệ thống đồng thể hóa nước nhiên liệu diesel cho động diesel tàu thủy, nhằm giảm thiểu phát thải NOx khí thải động cơ, đáp ứng Phụ lục VI Công ước Marpol 73/78 bảo vệ môi trường biển Tổ chức Hàng hải quốc tế (IMO) Keywords: Emulsion fuel, marine diesel engine, NOx emission, Marpol 73/78, marine environment Đặt vấn đề Hiện nay, để giảm thiểu hàm lượng khí NOx khí thải động diesel tàu thủy áp dụng số giải pháp khác thay đổi quy luật cấp nhiên liệu, hồn lưu khí thải đường khí nạp, phun nước dạng sương vào xilanh, sử dụng nhiên liệu nhũ tương, lắp đặt xúc tác hấp thụ khí thải, Trong đó, sử dụng nhiên liệu nhũ tương giải pháp nghiên cứu thử nghiệm nhằm triển khai ứng dụng cho đội tàu biển Việt Nam Đã có số cơng trình nghiên cứu tác giả nước sử dụng nhiên liệu nhũ tương cho động diesel như: PGS.TS Phan Minh Tân, TS Nguyễn Hữu Tuấn, ThS Phạm Thanh Truyền, Kannan cộng sự, Tuy nhiên SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Các thông số kỹ thuật động Hanshin 6LU32 thể Bảng Sơ đồ hệ thống tạo nhiên liệu nhũ tương cho động Hanshin 6LU32 mơ tả Hình 1: Nhiên liệu từ két trực nhật nước đưa vào thiết bị trộn kiểu cánh khuấy (1) tạo nhiên liệu tiền nhũ tương với kích thước hạt đạt khoảng 50~100μm; Nhiên liệu từ thiết bị trộn, bơm (2) cấp vào thiết bị đồng thể hóa (3) với chức nghiền cho hạt nước nhiên liệu đạt kích thước 10μm đảm bảo độ ổn định cao trước cấp tới động Lượng nhiên liệu dư thừa hồi thiết bị khuấy để hịa trộn tiếp mà khơng cần sử dụng thiết bị tách nước 2.2 Tính tốn thiết kế thiết bị trộn liên tục Bộ trộn thiết kế thử nghiệm cho động Hanshin 6LU32 với kết tính chọn kích thước hồ trộn thể Bảng Trên sở kích thước tính tốn Bảng 2, thiết bị trộn kiểu cánh khuấy liên tục thiết kế với hình dạng kích thước đặc trưng thể Hình 2, sản phẩm thiết bị hoà trộn sau chế tạo hoàn chỉnh thể Hình Tốc độ khuấy trộn n = 60v/ph; kích thước hạt 60~70μm 29 TẠP CHÍ HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 2.3 Tính tốn thiết kế thiết bị đồng thể hóa Trên sở nghiên cứu, phân tích số thiết bị đồng thể hố có mặt thị trường, nhóm nghiên cứu lựa chọn thiết bị đồng thể hoá kiểu rotor, sơ đồ kết cấu thiết bị thể Hình ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Hình Stator thiết bị đồng thể hóa thiết kế bao gồm 14 rãnh với kích thước 6×10×12 (mm) rotor bao gồm 12 rãnh với kích thước 10×10×10 (mm) Rotor lắp lồng vào lòng stator trục với khe hở cắt 0,5mm Hình Sơ đồ hệ thống tạo nhiên liệu nhũ tương động Hanshin 6LU32 [1] 1.Thiết bị trộn kiểu cánh khuấy; Bơm nhiên liệu; Thiết bị đồng thể hóa; Phin lọc; Van chặn; Bầu lọc nước; Lưu lượng kế; Bầu hâm; Nhớt kế Bảng Các thông số kỹ thuật động Hanshin 6LU32 [2] STT Các thông số Giá trị Động Hanshin 6LU32 Số xi lanh i=6 Vịng quay định mức n = 340v/phút Cơng suất định mức Ne = 1300hp/970kW Đường kính xi lanh D = 320mm Hành trình piston S = 510mm Áp suất cháy lớn Pz = 90kG/cm2 Góc phun sớm 11o gqtk trước ĐCT Suất tiêu hao nhiên liệu ge = 200g/kW.h Bảng Kích thước hòa trộn kiểu cánh khuấy áp dụng cho động Hanshin 6LU32 [3] Đường kính két: 30 T (m) Đường kính cánh khuấy D (m) Số lượng cánh (chiếc) Chiều rộng cánh W (m) Chiều dài cánh L (m) Số lượng cánh cản (chiếc) Chiều rộng cánh cản B (m) Chiều cao cột chất lỏng H (m) Khoảng cách từ cánh đến đáy két Z (m) 0,60 0,20 0,05 0,06 0,10 1,0 0,2 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Hình Sản phẩm thiết bị hịa trộn liên tục [3] Hình Bản vẽ thiết kế hòa trộn liên tục [3] Hình Sơ đồ kết cấu thiết bị đồng thể hóa Các kích thước thơng số thiết bị đồng thể hoá nhiên liệu thể Bảng (do giới hạn khuôn khổ báo, nội dung tính tốn thiết bị khơng trình bày đây) Hệ thống tạo nhiên liệu nhũ tương với thiết bị hoà trộn đồng thể hoá sau chế tạo lắp đặt thể Hình 2.4 Kết thử nghiệm sử dụng nhiên liệu nhũ tương cho động diesel Hanshin 6LU32 Nhiên liệu sử dụng thử nghiệm cho động bao gồm nhiên liệu DO (tỷ trọng 0,8638; nhiệt trị 42.460kJ/kg; độ nhớt 40oC 6,38; hàm lượng lưu huỳnh 0,5%, ) nhiên liệu FO (tỷ trọng 0,987; nhiệt trị 42.230kJ/kg; độ nhớt 40oC 80,7; hàm lượng lưu huỳnh 1,5%, ) Tiến hành tạo mẫu nhiên liệu nhũ tương với tỷ lệ nước khác nhau: 10%, 20%, 30%, 40%, 50% Các mẫu thực nghiệm lấy cửa thiết bị đồng thể hóa Nhìn chung, mẫu nhiên liệu nhũ tương với tỷ lệ SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Hình Rotor stator thiết bị đồng thể hóa [3] 10~30% nước có tính ổn định tốt, vịng 24 quan trắc khơng có dấu hiệu nước bị lắng đọng, mẫu nhiên liệu với tỷ lệ nước 40~50% có tính ổn định khơng cao, có tượng lắng đọng nước (Hình 7) Tiến hành thử nghiệm động 6LU32 chế độ tải khác (50%, 75% 85% tải) với nhiên liệu DO FO nguyên mẫu nhiên liệu nhũ tương (Dnt, Fnt) DO FO với nước theo tỷ lệ khác (10%, 20% 30% nước), thời gian thử 10 Các kết đo phát thải NOx động sử dụng thiết bị đo Testo 350 thể Bảng Bảng Các kết thử nghiệm cho thấy: - Khi sử dụng nhiên liệu nhũ tương, mức độ phát thải NOx giảm đáng kể hai trường hợp sử dụng nhiên liệu nhũ tương nước với DO FO, mức độ giảm NOx tương đồng hai trường hợp; 31 TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Bảng Tổng hợp thông số thiết kế thiết bị đồng thể hoá [3] TT 10 11 12 Các thông số thiết kế Loại thiết bị đồng thể hóa Năng suất Mức độ đồng thể hóa Hàm lượng nước nhũ tương Đường kính rotor Khe hở tạo ứng suất Vận tốc quay rotor Công suất lai rotor Động điện loại pha Đường kính cửa vào Đường kính cửa Vật liệu chế tạo Trị số Rotor 194kg/h d32 = 10μm 10 ~ 50% D = 100mm Δ = 0,5mm 3000v/ph P = 272W P = 500W d1 = 35mm d2 = 30mm Thép không gỉ Ghi Nhiên liệu + nước Nước tinh khiết Hình Hệ thống tạo nhiên liệu nhũ tương lắp đặt thử nghiệm động Hanshin 6LU32 [3] Hình Các mẫu nhiên liệu nhũ tương sử dụng thử nghiệm cho động Hanshin 6LU32 [3] - Khi sử dụng nhiên liệu nhũ tương, mức độ phát thải NOx giảm theo tăng tải; - Khi tăng tỷ lệ nước nhiên liệu nhũ tương, mức độ giảm phát thải NOx nhiều, cụ thể mức độ giảm lớn đạt tới khoảng 80% chế độ tải 85% sử dụng nhiên liệu nhũ tương với tỷ lệ nước 30% hai trường hợp sử dụng nhiên liệu nhũ tương DO FO 32 Kết luận Kết lắp đặt hệ thống thử nghiệm sử dụng nhiên liệu nhũ tương động diesel Hanshin 6LU32 phịng thí nghiệm cho thấy khả ứng dụng thực tế hoàn toàn khả thi Hiệu giảm phát thải NOx khí thải động rõ ràng, đặc biệt động sử dụng nhiên liệu FO: Mức giảm SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Bảng Kết thử nghiệm đo phát thải NOx động 6LU32 sử dụng nhiên liệu DO nhũ tương [3] Nhiên liệu DO Chế độ tải/Vòng quay Phát thải NOx NOx - NO2 50%/238 75%/273 mg/Nm3 g/kW.h Độ giảm % mg/Nm3 g/kW.h 1602 11,09 - 4862 85%/300 Độ giảm % 29,34 mg/Nm3 g/kW.h Độ giảm % - 9805 53,85 - 26,82 2632 22,55 58,12 1632 13,98 74,03 1429 12,25 77,25 Nhiên liệu nhũ tương Dnt10 NOx - NO2 1132 9,70 12,53 2506 21,47 Nhiên liệu nhũ tương Dnt20 NOx - NO2 1022 8,75 21,18 1730 14,82 49,48 Nhiên liệu nhũ tương Dnt30 NOx - NO2 920 7,88 28,94 1602 13,73 53,2 Bảng Kết thử nghiệm đo phát thải NOx động 6LU32 sử dụng nhiên liệu FO nhũ tương [3] Nhiên liệu FO Chế độ tải/Vòng quay 50%/240 Phát thải NOx mg/Nm3 g/kW.h NOx - NO2 1650 12,35 75%/275 Độ giảm % - mg/Nm3 g/kW.h 5910 38,25 85%/300 Độ giảm % - mg/Nm3 g/kW.h Độ giảm % 11015 63,40 - 2470 21,16 66,62 1647 14,11 77,74 1532 13,12 79,31 Nhiên liệu nặng nhũ tương Fnt10 NOx - NO2 1107 9,48 23,24 2142 18,35 52,03 Nhiên liệu nặng nhũ tương Fnt20 NOx - NO2 1069 9,16 25,82 1616 13,84 63,81 Nhiên liệu nặng nhũ tương Fnt30 NOx - NO2 932 7,98 35,38 1506 phát thải thấp 23,24% chế độ 50% tải với hàm lượng nước nhiên liệu nhũ tương 10%; mức giảm lớn đạt tới gần 80% chế độ 85% tải với hàm lượng nước nhiên liệu nhũ tương 30% Việc thiết kế, lắp đặt hệ thống với thiết bị bổ sung không phức tạp Tuy nhiên kết bước đầu, thực phịng thí nghiệm, để triển khai áp dụng cho đội tàu cần tiến hành thử nghiệm thực tế nhiều nữa, đồng thời cần có đánh giá tồn diện tiêu kinh tế-năng lượng động ảnh hưởng hàm lượng nước nhiên liệu nhũ tương đến trạng thái kỹ thuật nhóm piston-xilanh, thiết bị cung cấp nhiên liệu, Trong thời gian tới SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) 12,90 66,27 nhóm nghiên cứu hướng tới việc thử nghiệm số tàu cụ thể, để từ đưa đánh giá xác TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Xuân Dương (chủ biên) tác giả, Kỹ thuật xử lý khí thải gây nhiễm từ động diesel tàu thủy đáp ứng Phụ lục VI, Công ước Marpol 73/78, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2020 [2] Trung tâm Nghiên cứu hệ động lực tàu thủy, Khoa Máy tàu biển, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, Hồ sơ kỹ thuật động Hanshin 6LU32 [3] Đặng Văn Uy cộng Xây dựng lộ trình giải pháp xử lý khí độc hại khí thải động 33 TẠP CHÍ HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 diesel thủy đáp ứng yêu cầu công ước quốc tế Marpol cho đội tàu biển Việt Nam Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ, Mã số MT171002, 2017 ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 28/6/2021 01/8/2021 07/8/2021 [4] Tổ chức hàng hải Thế giới (IMO), Công ước Quốc tế ngăn ngừa ô nhiễm tàu biển gây 73/78 (MARPOL 73/78) 34 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) ... tải 85% sử dụng nhiên liệu nhũ tương với tỷ lệ nước 30% hai trường hợp sử dụng nhiên liệu nhũ tương DO FO 32 Kết luận Kết lắp đặt hệ thống thử nghiệm sử dụng nhiên liệu nhũ tương động diesel Hanshin... thử nghiệm cho thấy: - Khi sử dụng nhiên liệu nhũ tương, mức độ phát thải NOx giảm đáng kể hai trường hợp sử dụng nhiên liệu nhũ tương nước với DO FO, mức độ giảm NOx tương đồng hai trường hợp;... 6LU32 [3] - Khi sử dụng nhiên liệu nhũ tương, mức độ phát thải NOx giảm theo tăng tải; - Khi tăng tỷ lệ nước nhiên liệu nhũ tương, mức độ giảm phát thải NOx nhiều, cụ thể mức độ giảm lớn đạt tới