Các phân tích ở trên cho thấy rằng biogas khi tiến hành nén để lưu trữ ở áp suất cao cần phải loại bỏ khí gây ăn mịn đó là H2S. Trên cơ sở đó, luận án đã đề
xuất một quy trình nén để loại bỏ CO2 và tiến hành mơ phỏng quy trình nén biogas bằng phần mềm Pro II.
Khí biogas nguyên liệu sau khi được loại bỏ H2S bằng phoi sắt có thành phần và các điều kiện ban đầu được cho ở bảng 2.7 và được sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình nén và tách CO2.
Bảng 2.7: Thành phần và điều kiện của khí biogas sau khi được tách H2S
Thành phần CH4 CO2 N2 H2S H2O
Giá trị (%V) 61,074 37,045 1,722 0,009 0,152
Nhiệt độ (oC) 30
Áp suất (bar) 1,074
Mục đích của việc mơ phỏng q trình nén, tách CO2 là tìm ra các điều kiện vận hành của hệ thống máy nén cho phép đồng thời trong quá trính nén khí biogas
đến áp suất thương mại 200 bar. Khí CO2, nước và các khí a-xit sẽ từng phần được
loại ra khỏi dịng khí để bảo đảm chất lượng cho khí thượng phẩm sau quá trình
nén. Đây là sơ đồ nén tách CO2 từ biogas hoàn toàn mới đã được đề xuất của luận
án. Sơ đồ mơ phỏng của q trình nén tách CO2 của biogas được mơ tả ở hình 2.8. Trong mô phỏng này, luận án sử dụng sơ đồ nén với 4 cấp nén C1, C2, C3, C4 với các hệ thống làm mát sản phẩm nén bằng khơng khí và tách lỏng giữa các cấp nén. Lượng lỏng thu được sau quá trình nén ở cấp 3 (64 bar) và cấp 4 (200 bar) có chứa một lượng khá lớn khí CH4 hịa tan sẽ được giảm áp trong các bình tách F4, F5 và F7 trên sơ đồ với các áp suất đầu ra tương ứng là 4, 16 và 64 bar để thu các dịng khí có hàm lượng CH4 cao hồi lưu về q trình nén tách cho các cấp nén C2 và C3. Việc hồi lưu này không chỉ cho phép bảo đảm hiệu suất thu hồi CH4 cao mà còn bảo đảm độ sạch của sản phẩm CO2 lỏng thu được.
Hình 2.8: Sơ đồ mơ phỏng q trình nén tách CO2 của khí biogas
Trong q trình mơ phỏng tính tốn cơng suất của máy nén, hiệu suất đoạn
nhiệt của quá trình nén là 75%, đây là giá trị được đề nghị bởi ASME (American
Society of Mechanical Engineer), việc tính tốn các cân bằng pha lỏng – hơi và các
đặc trưng hóa lý khác của các thiết bị và dịng lưu chất dựa trên cơ sở mơ hình nhiệt
động Braun K10. Kết quả tính tốn mơ phỏng cho phép xác định được công suất
tiêu hao cho quá trình nén, thành phần và lưu lượng của các dịng khi đi ra khỏi hệ thống nén tương ứng với các lưu lượng nguyên liệu là 20, 50, 150, 500, 750 và 1000 Nm3/h được trình bày ở bảng 2.8 và bảng 2.9.
Bảng 2.8: Thành phần (% V) sản phẩm biogas và CO2 sau quá trình nén tách
Thành phần khí CH4 CO2 N2 H2S H2O Nhiệt độ (0C) Áp suất (Bar) Biogas sản phẩm (%V) 96,4 0,8 2,7 0 0 45 200
CO2 lỏng 11,5 87,8 0,3 - 0,4 -25,6 16
Bảng 2.9: Lưu lượng sản phẩm biogas và CO2 sau quá trình nén tách
Lưu lượng biogas (Nm3/h) Sản phẩm Pha Lưu lượng mol (kmol/h) Lưu lượng khối lượng (kg/h) Lưu lượng thể tích thực (m3/h) Lưu lượng thể tích tiêu chuẩn của biogas sạch (Nm3/h) Công suất tiêu hao nén biogas kw 20 Biogas Khí 0,521 8,544 0,062 11,67 6,46 CO2 Lỏng 0,243 7,764 0,012 50 Biogas Khí 1,304 21,65 0,156 29,22 16,14 CO2 Lỏng 0,607 19,41 0,029 150 Biogas Khí 3,905 64,83 0,468 87,52 48,41 CO2 Lỏng 1,82 58,23 0,088 500 Biogas Khí 13,446 216 1,521 292 161,35 CO2 Lỏng 6,065 194 0,294 750 Biogas Khí 19,522 324 2,342 438 242,04 CO2 Lỏng 9,098 291 0,441 1000 Biogas Khí 26,02 432 3,12 583 322,7 CO2 Lỏng 12,13 388 0,588
Kết quả mô phỏng trên bảng 2.8 và bảng 2.9 cho thấy q trình nén tách khí
CO2 để làm sạch tạp chất trong biogas cho phép thu được dịng khí sản phẩm có
hàm lượng CH4 cao (96,4%), hàm lượng CO2 < 2%, H2S ~ 0%, hồn tồn đạt u cầu cho q trình nâng cấp khí biogas đạt chất lượng của khí thiên nhiên và hiệu suất thu hồi CH4 lên đến 94,7%. Công suất cần thiết cho quá trình nén chỉ chiếm khoảng 9% cơng suất của biogas nén.
2.4.4. Lưu trữ khí biogas kiểu hấp thụ
Với kỹ thuật hấp thụ methane trong propane lỏng, đây được xem là phương
pháp lưu trữ biogas sạch và khơ. Methane hịa tan trong propane làm tăng lượng lưu trữ từ 4 đến 6 lần lượng biogas chứa bình thường ở cùng áp suất [27], [33]. Gần đây việc sử dụng vật liệu ống nano cacbon để lưu trữ biogas cũng đã được nghiên cứu. Hệ số lưu trữ Methane tốt nhất đạt được đối với vật liệu ống nano cacbon đã tạo
hình là 104,94 và 113,24 tương ứng với khối lượng riêng biểu kiến là 0,667 và
0,684 g/cm3 và cho phép tăng khả năng lưu trữ của các bồn chứa methane ở 35 bar lên 2,8 – 3 lần, tương đương với việc lưu trữ ở khoảng 105 bar [33]. Các kết quả
nghiên cứu này cho phép khẳng định khả năng sử dụng vật liệu ống nano cacbon
biến tính để lưu trữ khí methane hay mở rộng ra cho lưu trữ biogas trong các bình chứa nhiên liệu sử dụng cho các phương tiện giao thông cơ giới.
2.5. Nghiên cứu quá trình cung cấp nhiên liệu biogas nén cho động cơ xe gắn máy honda wave α 110cc gắn máy honda wave α 110cc
2.5.1. Hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas nén cho động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc Honda wave α 110cc
Như đã phân tích ở chương 1, để cung cấp nhiên liệu biogas nén cho động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc chúng ta có thể sử dụng họng Venturi để hút khí biogas vào xylanh động cơ. Hệ thống cung cấp nhiên liệu khí biogas nén cho xe gắn máy Honda wave α 110cc được sử dụng dựa trên hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG kiểu van ba chức năng cho xe gắn máy. Tuy nhiên, LPG là nhiên liệu ở thể lỏng cho nên phải tính tốn thiết kế lại cho phù hợp với nhiên liệu biogas nén ở thể khí và khơng làm thay đổi hệ thống cung cấp nhiên liệu xăng của xe nguyên bản.
Để đảm bảo các yêu cầu nói trên, hệ thống cung cấp nhiên liệu gồm những
cụm chi tiết chính như: bình chứa biogas nén (1), van giảm áp (5), cụm van chân không ba chức năng (7, 14, 15) được bố trí như hình 2.9.
Hình 2.9: Sơ đồ tổng thể hệ thống cung cấp biogas kiểu van chân không ba chức năng cho xe gắn máy Honda wave α 110cc
1- Bình chứa biogas nén; 2- Đồng hồ theo dõi áp suất bình chứa; 3- Khóa dịng; 4- Lọc dịng; 5- Cụm van giảm áp; 6- Bộ chia dịng; 7- Van cơng suất; 8- Lỗ cung cấp chính qua họng Venturi; 9- Van làm đậm; 10- Họng hút Venturi; 11- Lỗ cung cấp của mạch làm đậm; 12- Trụ ga; 13- Lỗ không tải; 14- Van không tải; 15- Cơ cấu
điều khiển cưỡng bức van làm đậm;
Theo đó, khi động cơ hoạt động ở chế độ không tải, độ chân không tại vị trí ngay sau trụ ga rất lớn sẽ hút biogas qua van không tải (14) để cấp vào xy lanh động cơ qua lỗ không tải (13). Khi động cơ dần tăng tải, trụ ga được nâng lên, mở rộng dần, độ chân không tại lỗ không tải (13) giảm nhanh, trong khi đó độ chân khơng
qua họng Venturi tăng dần lên theo độ mở trụ ga. Lúc này, van cơng suất của mạch chính (7) làm việc chủ yếu để cấp nhiên liệu qua lỗ cung cấp chính đến họng
Venturi (8). Khi trụ ga được nâng lên cao hơn (chế độ tải lớn), ngồi van mạch
chính làm việc theo chế độ tiết kiệm nhiên liệu, thì lúc này van làm đậm (9) sẽ tham gia cung cấp thêm một lượng nhiên liệu biogas cần thiết để bảo đảm cho động cơ
phát huy công suất ở các chế độ tải lớn. Đặc biệt khi xe cần gia tốc, van làm đậm
cịn có thêm cơ cấu mở cưỡng bức bằng cơ khí, cho phép mở nhanh cửa van để cung cấp kịp thời lượng nhiên liệu cần thiết cho việc gia tốc mà không bị chậm trễ.
Để sử dụng nhiên liệu biogas cho xe gắn máy Honda wave α 110cc một cách
hiệu quả theo các yêu cầu nêu trên, thì phải tính tốn xác định lại các thông số của cụm van chân không ba chức năng để cung cấp lượng nhiên liệu biogas nén theo yêu cầu tải của động cơ. Sơ đồ nguyên lý của cụm van chân không ba chức năng
được mô tả ở hình 2.10. 6 7 14 9 1 2 3 4 5 8 10 11 12 13 15
Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý cụm van chân không ba chức năng cung cấp nhiên liệu biogas nén cho xe gắn máy
1- Vít điều chỉnh của van gia tốc; 2- Dây điều khiển của van gia tốc; 3- Nắp van gia tốc; 4- Lò xo chịu nén; 5- Lò xo chịu kéo; 6- Lỗ van cấp khí biogas của cụm van gia tốc; 7- Khoang áp suất cao; 8- Đầu vào van gia tốc; 9- Điểm tựa của tay đòn; 10- Tay đòn; 11- Khoang áp suất thấp; 12- Nắp dưới van gia tốc; 13- Giá di động của
đòn 10; 14- Đầu ra van gia tốc; 15- Màng; 16- Đĩa; 17- Nắp trên van gia tốc; 18- Đai ốc; 19- Giá tỳ lò xo nén; 20- Đinh tán; 21- Dây trung gian; 22- Giá đỡ; 23- Đai ốc khóa; 24- Ống dẫn hướng; 25- Ống nối; 26- Lị xo đóng trụ ga; 27- Trụ ga;
28- Lỗ cung cấp của mạch làm đậm; 29- Họng venturi; 30- Nắp trụ ga; 31- Dây ga;32- Chạc rỗng bốn ngã; 33- Van điều chỉnh lưu lượng; 34- Vít điều chỉnh; 35-
Đầu vào khí biogas; 36- Van khơng tải; 37- Đầu ra van không tải; 38- Ziclơ không
tải; 39- Đầu vào van công suất; 40- Đầu ra van công suất; 41 – Vít điều chỉnh van cơng suất.
Hình 2.10 mô tả sơ đồ nguyên lý cụm van chân không ba chức năng cung
cấp biogas cho xe gắn máy. Theo đó, đầu vào khí biogas của các van công suất và van làm đậm được nối với hai đầu vng góc của chạc rỗng bốn cửa (32); một đầu còn lại của chạc này được nối với ziclơ không tải (38); đầu cuối cùng của chạc (32)
được bắt chặt vào van điều chỉnh lưu lượng (33) nhờ vít điều chỉnh (34).
Khí biogas sau khi giảm áp suất nhờ van giảm áp được dẫn đến đầu vào (35) của cụm van ba chức năng. Đầu ra (37) của van không tải được nối với lỗ hút không tải lắp ngay sau trụ ga, nhằm cung cấp lượng biogas bảo đảm độ đậm đặc nhiên liệu cần thiết cho động cơ làm việc ổn định ở chế độ không tải. Đầu ra (40) của van
cơng suất được nối với lỗ cung cấp mạch chính đặt ở tiết diện hẹp nhất của họng
Venturi, có nhiệm vụ định lượng biogas cung cấp vào cho xy lanh động cơ ở tất cả các chế độ tải trọng khác nhau (trừ chế độ không tải). Khi tăng tải động cơ, độ chân không ở họng Venturi tăng lên, lượng biogas cung cấp tăng dần, sau đó ổn định
quanh giá trị của hệ số tỷ lệ tương đương = 1. Muốn cho xe gắn máy phát huy tốt công suất ở chế độ tải lớn cho đến tồn tải thì đầu ra của van làm đậm (14) được nối với lỗ làm đậm đặt tại vị trí trung bình của họng Venturi và trụ ga, để cung cấp bổ sung một lượng biogas cần thiết tương ứng với hệ số tỷ lệ tương đương đậm hơn 1. Thời điểm tác động của van làm đậm có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi vị trí tương đối của vít điều chỉnh (1) so với nắp van.
Đặc tính lưu lượng cung cấp của hệ thống được điều chỉnh chung nhờ vít
(34). Đặc tính lưu lượng cung cấp của mạch chính có thể được điều chỉnh bởi vít
(41) của van cơng suất. Sau khi điều chỉnh xong, các vít này được khóa chặt nhờ đai
ốc ép chặt vòng đệm và vòng cao su để đảm bảo độ kín.
Dựa trên sơ đồ nguyên lý hình 2.9 và hình 2.10 tiến hành xây dựng mơ hình tính tốn xác định các thông số của hệ thống cung cấp biogas nén cho xe gắn máy Honda wave α 110cc.
2.5.2. Xây dựng mơ hình tính tốn cho hệ thống cung cấp biogas nén kiểu van ba chức năng cho xe gắn máy Honda wave α 110cc van ba chức năng cho xe gắn máy Honda wave α 110cc
Với mục đích xây dựng mơ hình tính tốn động lực học q trình cung cấp nhiên liệu biogas cho động cơ xe gắn máy theo phương pháp hút qua họng Venturi, ta có thể mơ hình hố các cơ cấu thực bằng mơ hình tính tốn tương đương [18],
[19], [26], [44]; nghĩa là biểu diễn chúng dưới dạng các phần tử qui ước. Để mơ
hình hố tính tốn q trình cung cấp, ta thừa nhận các giả thiết sau:
- Áp suất nhiên liệu biogas nén của nguồn cung cấp là không đổi; tức thừa nhận áp suất nguồn cung cấp tại van giảm áp (van số 5 trên hình 2.9) không đổi và luôn bằng áp suất cần điều chỉnh cho trước p1.
- Nhiệt độ của nhiên liệu biogas nén trong thể tích nguồn cung cấp là khơng
đổi trong suốt quá trình cung cấp và bằng nhiệt độ điều hoà cho trước T1.
- Các cụm van kiểu chân khơng được xem như một phần tử có dung tích thay
đổi Vi và với các van tiết lưu có tiết diện thơng qua thay đổi theo độ mở van và vì
vậy tổn thất cục bộ cũng thay đổi theo độ mở của van.
- Tiết lưu các đường ống dẫn, lỗ thơng có diện tích tiết diện thơng qua (kí
hiệu S) là khơng đổi nhưng với hệ số lưu lượng (kí hiệu là ) thay đổi.
- Độ cứng lị xo đóng van là không đổi.
Trên cơ sở các giả thuyết nêu trên, luận án tiến hành xây dựng mơ hình tính tốn q trình cung cấp nhiên liệu biogas nén kiểu van chân khơng ba chức năng như trên hình 2.11, trong đó:
- Các khoang thể tích chứa nhiên liệu biogas nén được thay thế bởi các dung tích Vi tương ứng.
- Các tương tác từ biên lên hệ thống được thay thế bởi các “điều kiện biên” và được đặc trưng bởi các phương trình đặc tính tương ứng của “điều kiện biên”.
- Thay thế các trở lực đường ống dẫn giữa các dung tích bởi các tiết lưu
tương đương và được đặc trưng bằng khả năng thơng qua là (S)m, trong đó là hệ số lưu lượng, cịn S là diện tích tiết diện thông qua của tiết lưu và m là chỉ số biểu thị cho tiết lưu thứ m. Với các tiết lưu chỉ đơn thuần là đường ống (hoặc lỗ thơng)
giữa các dung tích thì diện tích tiết diện thơng qua là khơng đổi; cịn đối với các lỗ van thì tiết diện thơng qua là thay đổi theo mức độ mở van.
Hình 2.11: Mơ hình tính tốn tương đương của hệ thống cung cấp biogas kiểu van ba chức năng trên xe gắn máy.
1- Biên nguồn; 2- Tiết lưu từ nguồn đến cụm chia dòng cho các van; 3- Dung tích của cụm chia dịng; 4- Tiết lưu từ cụm chia dịng đến dung tích của van cơng suất mạch chính; 5- Dung tích của van cơng suất mạch chính; 6- Tiết lưu từ van công suất đến họng Venturi; 7- Biên họng Venturi; 8- Tiết lưu từ cụm chia dịng qua van khơng tải; 9- Dung tích của van khơng tải;10- Tiết lưu từ van không tải đến lỗ
không tải; 11- Biên lỗ khơng tải; 12- Tiết lưu từ cụm chia dịng qua van làm đậm; 13- Dung tích của van làm đậm; 14- Tiết lưu từ van làm đậm đến họng Venturi; 15- Biên lỗ gia tốc tại họng Venturi; 16- Biên điều chỉnh thời điểm làm đậm.
(S)4 (S)6 (S)12 (S)14 2 1 3 4 5 6 7 15 14 V3,p3 V13,p13 V5,p5 B7 B15 (S)10 V9,p9 B11 (S)2 B1 (S)8 B16 12 16 13 8 9 10 11
Trong đó:
(S)2: Khả năng thông qua của tiết lưu (2), thay thế cho đường ống dẫn từ
van ổn áp (nguồn 1) đến dung tích của cụm chia dịng (3);