Hiệu quả sử dụng năng lượng đối với hệ thống đồng sản xuất điện năng và nhiệt năng sử dụng động cơ nhiên liệu kép biogas-diesel và động cơ biogas được giới thiệu trên Hình 1.9.
Hình 1.9. Hiệu quả sản xuất năng lượng bằng động cơ nhiên liệu kép và động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng biogas
30-40% Điện 40-50% Nhiệt 90% Biogas 10% Diesel
Động cơ nhiên liệu kép Biogas-Diesel Máy phát điện 20-35% Điện 45-55% Nhiệt 100% Biogas Động cơ Biogas Máy phát điện Biogas Lưu lượng kế Hầm biogas Khí thải Đuốc Thiết bị sử dụng nhiệt Điện năng Chất thải Xử lý sơ bộ Chuẩn bị nguyên liệu Bùn Bộ trao đổi nhiệt
1.4. Các nghiên cứu sử dụng biogas trên động cơ đánh lửa cưỡng bức
Derus (1983) đề nghị thành phần tối thiểu của methane trong biogas dùng cho động cơ 4 kỳ là 35% với nhiệt trị 14,89MJ/m3 [26]. Mặt khác hỗn hợp methane và carbonic khơng thể cháy được nếu thể tích carbonic lớn hơn 3 lần so với thể tích methane (Coward 1952) [25]
Jewell và các cộng sự (1986) cho rằng hiệu suất điện tối ưu đạt được 26% khi hệ thống đồng sản xuất năng lượng hoạt động ở tỉ lệ tương đương 0,8-0,9. Hiệu suất này giảm xuống dưới 20% đối với hỗn hợp giàu với tỉ lệ tương đương tăng lên đến 1,3. Hiệu suất tối ưu đạt được đối với hỗn hợp nghèo cũng được nhiều tác giả khác cơng bố. Neyeloff (1981) khẳng định hiệu suất tối ưu đạt được khi tỉ lệ khối lượng khơng khí-nhiên liệu methane nằm trong khoảng 7,69-11,76 [48].
Jewell (1986) đề xuất gĩc đánh lửa sớm tối ưu của động cơ 25kW chạy bằng biogas chứa 60% methane nằm trong khoảng 33 đến 45 trước ĐCT [38]. Walsh (1986) đưa ra các kết quả nghiên cứu cho thấy động cơ 55kW sử dụng biogas tương tự cĩ gĩc đánh lửa sớm tối ưu là 45 trước ĐCT.
Sự hiện diện của một lượng lớn các chất pha lỗng biogas làm giảm nhiệt trị cũng như chỉ số Wobbe của biogas khi so sánh với khí thiên nhiên. Nhiệt sinh ra từ q trình cháy bị các chất pha lỗng hấp thụ. Điều này làm giảm nhiệt độ cháy và cũng là nguyên nhân làm giảm tốc độ làn tràn màng lửa. Khi tỉ lệ CO2 trong biogas càng cao thì lượng nhiệt bị hấp thụ bởi CO2 càng tăng, dẫn đến nhiệt độ cháy giảm đáng kể (Hình 1.10). Nếu sấy nĩng hỗn hợp khí nạp sẽ làm tăng nhiệt độ ngọn lửa nhưng lại dẫn đến việc CO2 bị phân giải tạo ra nhiều CO hơn theo khí thải đi ra ngồi mơi trường.
Đối với động cơ đánh lửa cưỡng bức, cần tăng thời điểm đánh lửa sớm hơn để cĩ đủ thời gian cho ngọn lửa biogas lan tràn nhằm nhận được cơng chỉ thị cao hơn. Hình 1.11 cho thấy ví dụ về ảnh hưởng của thời điểm đánh lửa đến cơng suất động cơ [46].
Năm 1992 G. A. Karim và I. Wierzba thuộc đại học Calgary đã nghiên cứu về các đặc tính nhiệt động lực và động lực của quá trình cháy của hỗn hợp methane- khơng khí cĩ sự hiện diện của CO2 [40]. Sau đấy, G. A. Karim tiếp tục mơ tả hiện tượng cháy biogas trong động cơ đốt trong [20], [21]. Để nâng cao các giới hạn cháy của biogas như là tốc độ cháy thấp và giới hạn khả năng cháy, K. Tanoue đã nghiên cứu việc bổ sung thêm hydro vào hỗn hợp methane nghèo [60]. Ý tưởng của việc thêm hydro vào khí thiên nhiên cũng đã được nghiên cứu trước đĩ nhằm nâng cao khả năng cháy của khí thiên nhiên trong động cơ đốt trong [20]. Hiệu suất nhiệt của động cơ đánh lửa cưỡng bức dùng nhiên liệu khí methane được cải thiện khi bổ sung một lượng tương đối nhỏ hydro. Điều này càng rõ nét hơn khi động cơ làm việc với hỗn hợp cĩ độ đậm đặc nhỏ hơn 1 khá nhiều nhờ khả năng cháy nhanh hơn và cháy sạch hơn của nhiên liệu hydro so với methane. Suất tham dự tối ưu của hydro để đảm bảo tăng cơng suất động cơ mà khơng để xảy ra hiện tượng cháy kích nổ là khoảng từ 20-25% tính theo thể tích trong điều kiện thử nghiệm tỉ số nén động cơ 8,5-10, gĩc đánh lửa sớm 20o trước ĐCT, độ đậm đặc của hỗn hợp từ 0,6 đến 1,2 (Hình 1.12) [60].
Hình 1.10. Ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu đến nhiệt độ ngọn lửa
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 0 400 800 1200 1600 2000 2400 50 80 100 T = 300K METHANE VÀ CARBONIC %CH Tỉ lệ tương đương Nh iệt đ ộ n go ïn lư ûa (K ) o 4 1.5 1.7 1.9 2.1 2.3 0 10 20 30 40 Góc đánh lủa sớm Cơng suất chỉ th ị (kW ) Methane Biogas từ rác chơn lấp
Hình 1.11. Ảnh hưởng của gĩc đánh lửa sớm đến cơng suất động cơ
Hình 1.12. Biến thiên cơng suất chỉ thị khi động cơ sử dụng hỗn hợp methane – hydrogen theo độ đậm đặc của hỗn hợp (a); theo thành phần hydrogen trong hỗn hợp nhiên liệu (b)
Tỉ số nén 8,5, gĩc đánh lửa sớm 20o và nhiệt độ khí nạp 298K [60]
So với khí thiên nhiên thì biogas cĩ giới hạn cháy hẹp hơn. Thành phần CO2 trong biogas càng lớn thì giới hạn cháy càng hẹp (Hình 1.13). Giới hạn cháy cịn phụ thuộc vào vận tốc dịng khí. Karim kết luận rằng khi chỉ số Reynolds tăng sẽ làm thu hẹp giới hạn cháy. Trong các thí nghiệm của ơng, khơng thể đốt cháy hỗn hợp khi chỉ số Reynolds trên 12.000 [40]. Do chứa một lượng đáng kể CO2 nên biogas cĩ thể sử dụng làm nhiên liệu trong các động cơ cĩ tỉ số nén cao mà khơng sợ kích nổ. Tuy nhiên, tốc độ cháy chậm của biogas đặc biệt trong động cơ tăng áp cĩ thể dẫn đến kích nổ khi tải lớn. Các thí nghiệm trước đĩ cho thấy cĩ thể tăng tỉ số nén đến 16:1. Tăng tỉ số nén làm tăng hiệu suất động cơ và hiệu quả chuyển đổi năng lượng tốt hơn trong buồng cháy [53]. Hình 1.14 cho thấy cơng suất tăng đáng kể khi tăng tỉ số nén, đặc biệt ở vùng hỗn hợp giàu và nghèo [47]. C ơng suấ t chỉ thị , kW H2/(H2+CH4), %Vol 20% 80% Độ đậm đặc a. C ơng suấ t chỉ thị , kW Độ đậm đặc của hỗn hợp H2/(H2+CH4), % Vol b. % Vol CH 4 Hỗn hợp khơng cháy Hỗn hợp khơng cháy Hỗn hợp cháy Tỉ lệ nhiên liệu/khơng khí Hình 1.13. Giới hạn cháy của hỗn hợp biogas-khơng khí
Jingdang Huang và R. J. Crookes (1998) đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần CH4, tỉ số nén và độ đậm đặc của hỗn hợp đến tính năng động cơ và mức độ phát thải các chất ơ nhiễm trên động cơ Ricardo E6 chuyên dụng. Đây là động cơ một xi lanh với buồng cháy phẳng hình trụ và cĩ khả năng thay đổi được tỉ số nén trong phạm vi rộng từ 4,5 đến 20. Nghiên cứu này chỉ ra rằng, sự cĩ mặt của CO2 trong nhiên liệu giúp làm giảm thiểu ơ nhiễm NOx đồng thời cho phép tăng thêm tỉ số nén động cơ; tuy nhiên cơng suất, hiệu suất nhiệt lại giảm đi khoảng 3% khi thành phần CO2 lên đến 40%. Tổng lượng ơ nhiễm hydrocarbon tăng lên khi tăng lượng CO2 cĩ trong nhiên liệu. Khi làm việc với hỗn hợp nghèo, lượng phát thải CO thấp và hầu như ít thay đổi theo thành phần CO2 cĩ trong biogas. Với các hỗn hợp đậm, CO tăng lên nhanh chĩng khi thành phần CO2 tăng lớn hơn 30% do quá trình cháy khơng hồn tồn triệt để. Nhìn chung, lượng phát thải CO chỉ liên quan đến tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu mà ít chịu ảnh hưởng bởi tỉ số nén và tốc độ động cơ. Tỉ số nén càng tăng thì áp suất chỉ thị và hiệu suất nhiệt càng tăng. Khi tỉ số nén lớn hơn giá trị 13, cơng suất và hiệu suất tăng nhẹ nhưng lượng phát thải của NOx, HC và CO lại tăng rất đáng kể. Khi tỉ số nén trên 15, áp suất xi lanh tăng rất mạnh do xuất hiện cháy kích nổ. Cơng suất và hiệu suất nhiệt đạt giá trị cực đại khi tỉ số nén nằm trong khoảng 13 đến 15 và hệ số dư lượng khơng khí dao động giữa 1,05 và 0,95. Trong những điều kiện làm việc này, lượng phát thải HC và CO thấp nhưng NOx lại ở mức cao. Mặc dù giảm được mức độ phát thải các chất gây ơ nhiễm khi hỗn hợp nghèo hơn nhưng cơng suất và hiệu suất nhiệt giảm, đặc biệt khi tốc độ động cơ lớn. Ngồi ra, các tác giả cũng đề xuất bên cạnh các điều
= 7 = 8.5 = 10 = 12 = 14 Độ đậm đặc của hỗn hợp C ơng suấ t chỉ thị , kW
Hình 1.14. Ảnh hưởng của tỉ số nén đến cơng suất chỉ thị ở các độ đậm đặc hỗn hợp khác nhau
kiện vận hành và việc sử dụng hỗn hợp nghèo, cần cĩ các biện pháp kỹ thuật nhằm tăng tốc độ cháy để vừa đạt được cơng suất và hiệu suất cao, vừa hạn chế được lượng phát thải của các chất NOx, HC và CO khi sử dụng biogas cĩ hàm lượng CO2 lớn trên các động cơ cĩ tỉ số nén cao [34].
Việc sử dụng buồng cháy phụ nhằm cải thiện quá trình đốt cháy biogas trong động cơ đánh lửa cưỡng bức đã được nghiên cứu chi tiết bởi A. Roubaud và D. Favrat vào năm 2005 [54]. Nghiên cứu được thực hiện trên một động cơ kiểu buồng cháy phụ với cơng suất 150kW trang bị trong hệ thống đồng sản xuất năng lượng. Với mục tiêu phải đạt hiệu suất nhiệt tối thiểu 36%, trong khi vẫn phải đảm bảo mức phát thải nằm trong giới hạn cho phép của Thụy Sĩ (NOx – 400mg/Nm3; CO – 650mg/Nm3, 5% O2) với điều kiện khơng dùng bộ xử lý khí thải. Kết quả nghiên cứu cho thấy, cĩ thể đạt được hiệu suất và cơng suất cao hơn với nhiên liệu biogas so với động cơ sử dụng khí thiên nhiên trong khi khí thải vẫn đảm bảo ở mức thấp. Ở tỉ số nén 12 và thành phần CO2 trong nhiên liệu là 40% thì giảm được 15% lượng CO và 8% lượng HC, trong khi vẫn giữ được lượng phát thải NOx tương đương là 8% mặc dù hiệu suất nhiệt đã giảm đi 1% so sánh với khi động cơ chạy bằng khí thiên nhiên. Trong điều kiện làm việc với tỉ số nén =13,3, gĩc đánh lửa sớm là 8o trước ĐCT, hệ số dư lượng khơng khí =1,57, nhiên liệu biogas chứa 39,5% CO2 thì hiệu suất nhiệt của động cơ đạt 37,7% trong khi vẫn giữ được lượng phát thải NOx và CO thấp hơn giới hạn của Thụy Sĩ. Hiệu su ất n hi ệt C ơng suấ t (kW ) %CH4
Hình 1.15. Cơng suất và hiệu suất nhiệt của động cơ; n=2000v/ph; =13, =0.96 và =1.05. n=2000v/ph; =13, =0.96 và =1.05.
Hình 1.16. Bugi tích hợp buồng cháy phụ a- Bugi kiểu điện cực [54]; b- Bugi kiểu laser [28] a- Bugi kiểu điện cực [54]; b- Bugi kiểu laser [28]
Koji Yamanaka, Yosuke Shiraga, và Shunsaku Nakai (2011) đã tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của bugi tích hợp buồng cháy phụ (PC plug) với các yếu tố như vị trí đánh lửa, thể tích buồng cháy phụ, đường kính các lỗ nối thơng buồng cháy phụ với buồng cháy chính đến q trình cháy để làm định hướng trong thiết kế loại bugi này. Bằng cách quan sát trực tiếp các bức ảnh chụp q trình cháy cho thấy lượng khí sĩt cịn lại trong buồng cháy phụ ảnh hưởng mạnh đến quá trình cháy. Khi dịch chuyển điểm đánh lửa về phía trước thì mức độ ảnh hưởng này giảm đi đáng kể. Kết quả thử nghiệm trên động cơ một xi lanh tăng áp cĩ đường kính xi lanh là 140mm cho thấy việc dùng bugi tích hợp buồng cháy phụ giúp cải thiện đáng kể hiệu suất nhiệt trong khi vẫn giữ mức phát thải NOx tương đương so với khi sử dụng bugi thơng thường [65].
Frank C. Loccisano (2011) đã tiến hành nghiên cứu mơ phỏng và thực nghiệm quá trình cháy của động cơ Caterpillar G3516C sử dụng khí thiên nhiên đánh lửa cưỡng bức với các trường hợp: dùng bugi loại điện cực cĩ buồng cháy phụ, dùng bugi đánh lửa laser, dùng bugi đánh lửa laser cĩ sẵn buồng cháy phụ [53].
Hiện nay, tương tự như các động cơ đánh lưỡng cưỡng bức khác, các động cơ chạy khí thiên nhiên sử dụng các bugi truyền thống. Tuy nhiên, để gia tăng hiệu suất và giảm độ phát thải NOx, động cơ cần hoạt động ở những mức áp suất chỉ thị trung bình cao hơn và với hỗn hợp nghèo [53]. Khi động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo, nhiệt độ màng lửa sẽ thấp hơn do vậy sẽ giảm được NOx [45]. Tuy vậy, khi đĩ động cơ dễ xảy ra hiện tượng bỏ lửa (misfire) và suy giảm cơng suất nếu quá trình đánh lửa khơng đảm bảo (chẳng hạn như khi hỗn hợp khơng khí nhiên liệu khơng đồng nhất) [54]. Vì vậy, vấn đề mấu chốt đảm bảo động cơ sử dụng nhiên liệu khí hoạt động tốt trong điều kiện hỗn hợp nghèo (và áp suất chỉ thị trung bình cao) là chất lượng hệ thống đánh lửa [21], [60]. Trong hệ thống đánh lửa dùng điện cực truyền thống, yêu cầu điện áp cung cấp giữa các điện cực tăng khi áp suất chỉ thị trung bình tăng [21]. Điện áp cao dẫn đến tăng khả năng ăn mịn các điện cực làm tăng khe hở giữa chúng. Nghiên cứu của Herdin cho thấy tuổi thọ của hệ thống đánh lửa giảm đi 50% nếu áp suất chỉ thị trung bình động cơ tăng từ 17 lên 24bar [14]. Rõ ràng, các hệ thống đánh lửa điện cực truyền thống khơng thích hợp với các thế hệ động cơ yêu cầu cĩ độ phát thải ơ nhiễm thấp và cĩ áp suất chỉ thị trung bình cao hiện nay [53].
Ngược lại, đánh lửa laser trở nên dễ dàng hơn khi áp suất trong xi lanh tăng [20], đảm bảo khả năng đánh lửa với hỗn hợp nhiên liệu khơng khí nghèo hơn so với khi động cơ sử dụng hệ thống đánh lửa dùng điện cực thơng thường [39]. Đồng thời tránh được hiện tượng lửa yếu do rị điện và cĩ thể bố trí tâm lửa laser ở các vị trí tối ưu bên trong buồng cháy.
Trong khu vực Đơng Nam Á, Thái Lan là nước đi đầu trong việc chuyển đổi các động cơ tĩnh tại diesel thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức kéo máy phát điện dùng tại các trang trại chăn nuơi cĩ trữ lượng biogas dồi dào.
Nhĩm nghiên cứu ở đại học Chiang Mai - Thái Lan (2007) đã tiến hành chuyển đổi động cơ diesel tăng áp Hino K-13CTI 13dm3 thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức kéo máy phát điện. Tỉ số nén động cơ được giảm từ =16 xuống =8. Khi hoạt động ở tốc độ 1.500v/ph, hiệu suất tối ưu của động cơ đạt 28,6% ứng với hệ số
dư lượng khơng khí =1,097, gĩc đánh lửa sớm 54o trước ĐCT, áp suất tăng áp là 56kPa. Cơng suất nhận được ở đầu ra máy phát điện là 134kW, độ phát thải CO và NOx tương ứng là 1.154ppm và 896ppm [55]. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Như phần trên đã trình bày, các động cơ chuyên dùng biogas sản xuất ở nước ngồi rất đắt tiền. Những động cơ biogas đơn giản, cỡ nhỏ thì làm việc khơng tin cậy và khơng phù hợp với nguồn biogas đa dạng ở nước ta. Do những tồn tại trên đây nên động cơ biogas cho đến nay chưa được ứng dụng một cách rộng rãi trong thực tế tại Việt Nam.
Cơng nghệ GATEC của giáo sư Bùi Văn Ga tại Đại học Đà Nẵng đã khắc phục được các nhược điểm nêu trên của động cơ biogas cĩ mặt trên thị trường trong nước. Ngồi ra các bộ phụ kiện vạn năng của GATEC cịn cho phép chuyển đổi nhiên liệu biogas/nhiên liệu lỏng cho hầu hết các chủng loại động cơ đốt trong tĩnh tại hiện đang được sử dụng phổ biến (xăng, diesel, 1 xi lanh, nhiều xi lanh, tăng áp, khơng tăng áp,...), cĩ phạm vi thay đổi cơng suất rất rộng từ một vài kW đến hàng trăm kW [6],[8],[9],[10],[12].
Cơng nghệ GATEC chuyển đổi các động cơ truyền thống sang sử dụng biogas cĩ những đặc điểm sau:
- Mang tính vạn năng cao, cĩ thể áp dụng cho hầu hết các động cơ đang được sử dụng phổ biến với phạm vi thay đổi cơng suất rộng.
- Khi chuyển đổi động cơ sang chạy bằng biogas, động cơ vẫn cĩ thể sử dụng lại xăng, dầu diesel như trước khi chuyển đổi.
- Các bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu cho động cơ sang chạy bằng biogas cĩ