nhiên liệu biogas (a) và minh họa tác động mơi trường khi sử dụng nhiên liệu hĩa thạch và sử dụng biogas (b)
Động cơ phát điện 1kW chạy bằng biogas mỗi ngày 8 giờ cĩ thể làm giảm phát thải 7.000kg CO2 mỗi năm vào bầu khí quyển so với khi chạy bằng xăng. Mặt khác, khi sử dụng biogas làm nhiên liệu, sẽ hạn chế phát thải CH4 vào bầu khơng khí do lên men kỵ khí của chất thải hữu cơ.
Như đã trình bày, việc sử dụng biogas làm nhiên liệu cho ơ tơ, mức độ phát thải CO2 gần như bằng khơng. Mức độ phát thải hạt rắn hay bồ hĩng cũng giảm một cách mạnh mẽ ngay cả khi so sánh với động cơ diesel hiện đại cĩ sử dụng thiết bị lọc bồ hĩng. Mức độ phát thải NOx và các hydrocarbons non-methane (NMHC) cũng giảm mạnh.
Khi sử dụng biogas làm nhiên liệu cho pin nhiên liệu theo cơng nghệ SOFC với hệ thống thu hồi CO2 để lưu trữ tại nơi an tồn, mức độ phát thải carbon cĩ thể âm (carbon-negative).
Phân tích việc giảm CO2 khi dùng biogas để phát điện và để chạy ơ tơ cho thấy khi dùng biogas sản xuất từ 1 tấn chất thải để chạy ơ tơ thì giảm được 413kg CO2 nhưng nếu dùng để phát điện thì giảm được 454kg. Vì vậy khi dùng biogas để phát điện, lợi ích về mặt mơi trường sẽ tốt hơn [7].
Nhiên liệu hĩa
thạch Biogas Chất thải hữu cơ
sinh hoạt Nhiên liệu ơ tơ Sản xuất điện năng Sản xuất nhiệt năng Các quá trình chuẩn bị lên men kỵ khí Sản xuất biogas
1.6. Kết luận và định hướng nghiên cứu của đề tài
- Từ nghiên cứu tổng quan trên đây cho thấy sự phá vỡ cân bằng vốn cĩ của carbon trong tự nhiên là nguyên nhân chính của những thảm họa mà lồi người phải gánh chịu hiện nay và trong tương lai rất gần nếu khơng cĩ những biện pháp hữu hiệu ngăn chặn kịp thời.
- Việc nghiên cứu sản xuất và ứng dụng các nguồn năng lượng tái sinh đã và đang được triển khai rộng khắp. Một trong số đĩ là hướng nghiên cứu sử dụng khí biogas dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong phục vụ mục đích tĩnh tại và phương tiện cơ giới.
- Giải pháp sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong, đồng thời đạt được cả 3 mục tiêu: tiết kiệm nhiên liệu hĩa thạch, hạn chế phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính và bảo vệ mơi trường trong sản xuất và sinh hoạt.
- Động cơ dùng biogas làm nhiên liệu cĩ thể là động cơ biogas do nước ngồi sản xuất với giá thành rất cao; hoặc cĩ thể chuyển đổi từ động cơ xăng hay động cơ diesel. Việc sử dụng các động cơ qua chuyển đổi này, bước đầu đã mang lại hiệu quả kinh tế rõ rệt.
- Nhiên liệu biogas cĩ chứa thành phần CO2 làm giảm tốc độ cháy của hỗn hợp nhiên liệu/khơng khí nhưng cũng đồng thời làm cho hỗn hợp cĩ khả năng chống kích nổ cao. Đặc điểm này giúp cho việc sử dụng nhiên liệu biogas trên động cơ đánh lửa cưỡng bức chuyển đổi từ động cơ diesel – động cơ cĩ độ cứng vững cao, tốc độ làm việc thấp và tỉ số nén cao là một lựa chọn khá phù hợp.
- Tại Việt Nam, hiện nay chỉ mới phát triển cơng nghệ chuyển đổi động cơ xăng thành động cơ lưỡng nhiên liệu biogas/xăng hoặc chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ nhiên liệu kép diesel-biogas và bước đầu đã mang lại kết quả rất tốt, được xã hội đánh giá cao. Tuy nhiên, khi nhu cầu sử dụng động cơ dùng nhiên liệu biogas cũng như nhu cầu về cơng suất động cơ biogas tăng cao, cộng thêm sự khơng đồng nhất về thành phần khí biogas cùng với đĩ là sự đa dạng về chủng loại và kích cỡ các động cơ cần chuyển đổi, địi hỏi nhanh chĩng phải cĩ thêm các nghiên cứu chuyên sâu một cách cĩ hệ thống và cơ sở khoa học như làm tối ưu hệ thống cung cấp nhiên
liệu, nghiên cứu quá trình cháy của động cơ biogas và xác định các thơng số cơ bản tối ưu để đảm bảo tính năng kỹ thuật và kinh tế của loại động cơ này.
Vì vậy “Nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy của
động cơ đánh lửa cưỡng bức cĩ tỉ số nén cao sử dụng biogas” là vấn đề cĩ ý nghĩa
khoa học và thực tiễn hiện nay trên thế giới và Việt Nam. Kết quả đề tài sẽ gĩp một phần trong tiến trình giải quyết triệt để các vấn đề nêu trên; đặc biệt là sẽ tạo tiền đề và cơ sở vững chắc cho việc sản xuất các thế hệ động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức làm việc với hiệu suất, cơng suất cao, suất tiêu hao nhiêu liệu thấp, tuổi thọ lâu dài phục vụ trong ngành nơng nghiệp nơng thơn nĩi riêng và kinh tế - xã hội Việt Nam nĩi chung.
CHƯƠNG 2
NGHIÊN CỨU CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ DIESEL SANG ĐỘNG CƠ BIOGAS ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC
Động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức nhập từ nước ngồi về cĩ giá thành quá cao so với khả năng của người tiêu dùng Việt Nam. Mặt khác, do nguồn biogas cĩ chất lượng và thành phần khơng đảm bảo nên việc áp dụng cũng gặp nhiều khĩ khăn trở ngại. Một giải pháp để tiết kiệm được chi phí đầu tư ban đầu, rút ngắn thời gian thu hồi vốn là sử dụng động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức được chuyển đổi từ động cơ xăng hoặc động cơ diesel hiện cĩ trong nước. Chương này sẽ so sánh các phương án chuyển đổi động cơ sử dụng nhiên liệu lỏng sang sử dụng nhiên liệu biogas ứng dụng ở nước ta và phân tích một cách tổng quát những vấn đề chính cần phải giải quyết khi chuyển đổi một động cơ diesel thành động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng nhiên liệu biogas.
2.1. Các phương án chuyển đổi động cơ sử dụng nhiên liệu lỏng thành động cơ chạy bằng nhiên liệu biogas cơ chạy bằng nhiên liệu biogas
2.1.1. Chuyển đổi động cơ xăng
Việc chuyển đổi động cơ đánh lửa cưỡng bức truyền thống sang sử dụng nhiên liệu biogas tương đối dễ vì nĩ đã được thiết kế để hoạt động với hỗn hợp nhiên liệu/khơng khí và đốt cháy bằng tia lửa điện. Chuyển đổi cơ bản là thay thế bộ chế hịa khí bằng bộ tạo hỗn hợp nhiên liệu biogas. Điều khiển cơng suất và tốc độ động cơ được thực hiện bằng cách thay đổi lượng hỗn hợp cung cấp, nghĩa là điều chỉnh vị trí của bướm ga như trong trường hợp động cơ xăng.
Hệ thống đánh lửa về nguyên tắc được giữ nguyên nhưng phải tăng gĩc đánh lửa sớm (khoảng 5-10 độ gĩc quay trục khuỷu) để phù hợp với tốc độ cháy biogas thấp hơn xăng. Cũng vì lý do này, tốc độ động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức nên giới hạn ở khoảng 3000v/ph. Việc điều chỉnh thời điểm đánh lửa tương đối đơn giản vì hệ thống đánh lửa cho phép thay đổi thời điểm đánh lửa trong phạm vi rộng.
Tăng tỉ số nén động cơ là biện pháp để làm tăng hiệu suất cũng như cơng suất động cơ. Tuy nhiên sau khi thay đổi tỉ số nén, động cơ khơng thể sử dụng lại được với xăng.
Thơng thường do nhu cầu cần sử dụng lại động cơ chạy lại với xăng khi nguồn biogas hết hay gặp sự cố, cĩ thể chuyển đổi động cơ xăng theo hướng lưỡng nhiên liệu xăng/biogas. Khi đĩ bắt buộc phải giữ nguyên bộ chế hịa khí xăng, lắp thêm bộ tạo hỗn hợp biogas trên đường nạp (thường bố trí ngay phía trước bộ chế hịa khí).
2.1.2. Chuyển đổi động cơ diesel
Động cơ diesel cĩ thể chuyển sang chạy bằng biogas theo 2 cách: động cơ nhiên liệu kép biogas-diesel hoặc động cơ đánh lửa cưỡng bức.
- Động cơ nhiên liệu kép: Việc chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ nhiên liệu kép biogas-diesel được thực hiện bằng cách bổ sung bộ chế hịa khí để cung cấp nhiên liệu biogas và cơ cấu chỉnh lượng phun diesel tối thiểu để đánh lửa mồi và cơ cấu chỉnh gĩc phun sớm. Động cơ nhiên liệu kép thường sử dụng 10-20% nhiên liệu diesel để đánh lửa mồi. Biogas cĩ thể thay thế đến 80% nhiên liệu diesel. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Chuyển đổi thành động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng biogas: Trong trường hợp này cần giảm tỉ số nén động cơ xuống cịn khoảng =11-12. Hệ thống phun được thay thế bằng hệ thống đánh lửa và hệ thống cung cấp diesel được thay thế bằng hệ thống cung cấp biogas qua bộ chế hịa khí.
2.1.3. Phân tích ưu nhược điểm của các phương án
Động cơ biogas được chuyển đổi từ động cơ xăng phát cơng suất thấp hơn khi chạy bằng xăng. Lý do là nhiên liệu khí chiếm một thể tích trong bộ tạo hỗn hợp lớn hơn là nhiên liệu lỏng. Mặt khác nhiệt trị thể tích của nhiên liệu lỏng lớn hơn nhiên liệu khí và nĩ làm lạnh hỗn hợp khi bốc hơi nên làm tăng lượng khơng khí nạp vào động cơ.
Đối với động cơ chạy bằng biogas, do nhiên liệu cĩ chứa CO2, lượng hỗn hợp nhiên liệu-khơng khí nạp vào động cơ càng giảm đi. Do động cơ đánh lửa cưỡng bức
luơn giữ hệ số dư lượng khơng khí λ=1 ± 0,1 và hệ thống nạp của động cơ đã được thiết kế để hoạt động với xăng nên tổng năng lượng của hỗn hợp biogas-khơng khí nạp vào động cơ nhỏ hơn so với khi chạy bằng xăng. Do sự sụt giảm năng lượng nhiên liệu cĩ thể mang vào, cơng suất của động cơ cũng giảm với tỉ lệ tương tự. Mức độ giảm cơng suất phụ thuộc vào nhiệt trị thể tích của nhiên liệu khí, ví dụ biogas chứa 70% CH4 cĩ nhiệt trị thể tích cao hơn biogas chỉ chứa 50% CH4. Khi
động cơ chạy với biogas nghèo chứa 60% CH4, nhiệt trị thể tích của nhiên liệu QHV = 25.000 kJ/m³ thì mức độ tụt giảm cơng suất động cơ khoảng 20% so với khi chạy bằng xăng [44].
Jewell (1986) cho rằng khi chạy bằng biogas chứa 60% methane, cơng suất động cơ giảm từ 15-20%. Tương tự, khi chuyển động cơ chạy bằng khí thiên nhiên sang chạy bằng biogas, cơng suất giảm khoảng 5-20% so với khi chạy bằng khí thiên nhiên (Clark 1985) [7].
Khi động cơ nhiên liệu kép làm việc ở tốc độ thấp, hiệu suất của nĩ tương đương với hiệu suất động cơ diesel. Ở tốc độ cao, hiệu suất động cơ giảm. Do tốc độ màng lửa biogas thấp nên gĩc đánh lửa sớm của động cơ nhiên liệu kép cần phải được nâng lên từ φs=19 lên φs=23 trước ĐCT (tương ứng với việc tăng gĩc phun sớm). Persson (1981) kết luận gĩc đánh lửa sớm tối ưu của động cơ nhiên liệu kép là 24 trước ĐCT [49]. Tương tự như động cơ lưỡng nhiên liệu biogas/xăng, để động cơ cĩ thể hoạt động bình thường với nhiên liệu diesel, khơng cho phép cải tạo làm tăng gĩc đánh lửa sớm (tăng gĩc phun sớm) trong trường hợp này.
Khi lượng diesel của ngọn lửa pilot cao, động cơ cĩ thể bị kích nổ làm tăng áp suất và nhiệt độ động cơ. Khi động cơ nhiên liệu kép làm việc với hỗn hợp methane- khơng khí nghèo, thành phần các chất ơ nhiễm trong khí thải giảm.
Một điểm lưu ý khác là do lắp thêm bộ tạo hỗn hợp biogas trên đường nạp, nên sẽ làm suy giảm đáng kể hệ số nạp của động cơ diesel, dẫn đến suy giảm cơng suất khi hoạt động hồn tồn với dầu diesel.
Do biogas cĩ chứa một tỉ lệ nhất định CO2 nên hỗn hợp biogas-khơng khí cĩ tốc độ cháy khá chậm nhưng lại cĩ khả năng chống kích nổ rất tốt. Vì vậy, tốc độ làm
việc thấp, tỉ số nén cao và kết cấu bền vững của động cơ diesel là ưu điểm chính khi chuyển đổi thành động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng biogas nghèo. Do đĩ, nếu khơng cĩ nhu cầu sử dụng lại động cơ diesel khi khơng dùng biogas thì phương án chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức là một ưu tiên lựa chọn hàng đầu.
2.2. Chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức
2.2.1. Những vấn đề chung
2.2.1.1. Tỉ lệ khơng khí-nhiên liệu
Khi chế tạo bộ tạo hỗn hợp cần phải lưu ý đến tỉ lệ khơng khí-nhiên liệu để đảm bảo tính năng động cơ tối ưu. Tỉ lệ khơng khí-nhiên liệu cháy hồn tồn đối với biogas chứa 60% methane là 6,03:1.
Derus (1983) đề nghị thành phần tối thiểu của methane trong biogas dùng cho động cơ 4 kỳ là 35% với nhiệt trị 14,9MJ/m3. 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) [7].
Hình 2.1. Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến tính năng động cơ
(Nguồn: Stahl, 1983) 0 5 10 15 20 25 30 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 400 380 400 10 12 13 14 15 16 17 18 8 10 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 360 320 300 290 280 270 270 Hệ số tương đương, Độ ch ân k hô ng ta ïi họ ng ( cm Hg ) : ge (g/KWh) : Pe (KW) 4 6 8 10 12 14 16 18 2 6 10 14 18 Cơng suất riêng (HP) A/F=10.6 A/F=9.5 Tỉ số nén
Hình 2.2. Ảnh hưởng của tỉ số nén động cơ đến cơng suất, nhiên liệu: 100% methane,
Cơng suất riêng tính theo HP/lít CH4/phút.100. Nguồn: Neyeloff (1981)
2.2.1.2. Hệ số tương đương
Jewell và các cộng sự (1986) cho rằng hiệu suất điện tối ưu 26% đạt được khi hệ thống đồng sản xuất năng lượng hoạt động ở hệ số tương đương 0,8-0,9. Hiệu suất này giảm xuống dưới 20% đối với hỗn hợp giàu, hệ số 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) cho rằng hiệu suất tối ưu đạt được khi tỉ lệ khối lượng khơng khí- nhiên liệu methane nằm trong khoảng 7,69-11,76 (Hình 2.1) [48].
2.2.1.3. Bugi
Trong khi các nhà chế tạo động cơ khuyến cáo nên dùng bugi lạnh cho nhiên liệu khí thì Jewell (1986) đề nghị sử dụng bugi nĩng hơn cho biogas. Khe hở giữa các cực bugi nằm trong khoảng 0,43-0,76mm là phù hợp. Jewell cũng lưu ý rằng với bugi cĩ điện cực bằng hợp kim nickel bị ăn mịn nghiêm trọng sau 100 giờ hoạt động. Walsh (1986) sử dụng bugi Champion J-6 với khe hở giữa các cực 0,64mm cho thấy động cơ hoạt động tốt với thời gian giữa 2 lần bảo trì bugi lên đến trên 1000 giờ [44]. 2.2.1.4. Tỉ số nén
Tỉ số nén tối ưu đối với động cơ biogas nằm trong khoảng 11-16 (Hình 2.2). Tuy nhiên phần lớn các động cơ cơng nghiệp sử dụng khí thiên nhiên cĩ tỉ số nén nằm trong khoảng 7-10.
2.2.1.5. Gĩc đánh lửa sớm Biogas cĩ tốc độ màng lửa thấp hơn các loại nhiên liệu khí khác. Vì vậy phải tăng gĩc đánh lửa sớm để đảm bảo quá trình cháy diễn ra hồn hảo, nâng cao tính năng cơng tác động cơ. Hình 2.3 giới thiệu
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 35 30 25 20 15 10 5 0 50 45 40 Hệ số tương đương f Đ ộ c h ân k h ơ n g t ạ i h ọ ng (c m H g )
Hình 2.3. Gĩc đánh lửa sớm tối ưu (Stahl, 1982) (Stahl, 1982)
ảnh hưởng của gĩc đánh lửa sớm đến cơng suất động cơ (độ chân khơng tại họng) khi chạy bằng biogas chứa 60% methane. Jewell (1986) cho rằng gĩc đánh lửa sớm tối ưu của động cơ 25kW chạy bằng biogas chứa 60% methane nằm trong khoảng 33 đến 45 trước ĐCT [44]. Walsh (1986) kết luận động cơ 55kW sử dụng biogas cĩ gĩc đánh lửa sớm tối ưu là 45 trước ĐCT [62]. Hình 2.3 thể hiện kết quả nghiên cứu về gĩc đánh lửa sớm tối ưu [58]. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Khi chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức, do quá trình làm việc của hai động cơ khác nhau nên cần phải nghiên cứu thay đổi kết cấu và bổ sung thêm các hệ thống, thiết bị cần thiết khác. Những thay đổi chính gồm:
- Tháo bỏ cụm bơm cao áp và vịi phun, - Giảm tỉ số nén xuống cịn ε = 12, - Lắp đặt hệ thống đánh lửa,
- Lắp đặt bộ tạo hỗn hợp đảm bảo tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu khơng thay đổi, - Lắp đặt, cải tạo cơ cấu điều tốc.