Chƣơng 1 : TỔNG QUAN
1.2.3. Hiệu quả bổ sung nhiên liệu hydrogen
Khí HHO có nhiều ưu điểm nên việc nghiên cứu áp dụng nó trên động cơ đốt trong luôn là vấn đề thời sự. Các nghiên cứu tập trung phát huy những lợi thế của nó về cải thiện q trình cháy, tăng hiệu suất, đồng thời hạn chế mức độ gia tăng NOx ở chế độ toàn tải do tăng nhiệt độ cháy.
Sinh viên thực hiện: Lê Văn Nguyên Người hướng dẫn: ThS.GVC Nguyễn Lê Châu Thành Lê Văn Thuận
Trương Nguyễn Hoàng Long 21
Nghiên cứu ứng dụng HHO trên động cơ cỡ nhỏ cũng được các nhà khoa học quan tâm [31, 32]. Musmar và Al-Rousan [24] nghiên cứu tính năng của động cơ 1 xilanh Honda G200 chạy bằng khí HHO. HHO sinh ra từ bộ điện phân nước sử dụng điện cực bằng thép không gỉ 316-L. Kết quả cho thấy khi chạy bằng khí HHO, NOx giảm 54% và CO giảm 20%. Do khơng có bộ điều chỉnh cơng suất điện cung cấp cho bình sinh khí nên nồng độ HHO thay đổi theo tốc độ động cơ. Mới đây Leelakrishnan và Suriyan [33] nghiên cứu ảnh hưởng của HHO bổ sung đến tính năng của động cơ xăng 4 kỳ, 1 xi lanh, 5.4 kW. HHO được nạp vào đường nạp động cơ giữa lọc khí và bộ chế hịa khí. Kết quả cho thấy cơng suất có ích tăng 5%, hiệu suất tăng 7%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm 6%, phát thải HC, CO, NOx giảm lần lượt 88%, 94% và 58% ở chế độ toàn tải. Kết quả tương tự cũng được cơng bố trong cơng trình của Al-Rousan [25]. Trong cơng trình này, Al-Rousan cung cấp HHO tương quan với lượng khơng khí nạp vào động cơ bằng cách điều chỉnh dòng điện cung cấp cho bộ điện phân HHO. Novriyandi [38] sử dụng HHO trên xe gắn máy 150cc. Kết quả nghiên cứu cho thấy cơng suất, momen, áp suất có ích trung bình, hiệu suất nhiệt tăng tương ứng 12.96%, 13.59%, 15.09% và 20.83%. Kết quả nghiên cứu của Musmar và Rousan [26] cho thấy việc bổ sung HHO vào hỗn hợp nạp giúp làm giảm suất tiêu hao nhiên liệu, NOx, CO lần lượt là 30%, 50% và 20%. HHO cell có thể được lắp đặt trên xe gắn máy. Khi bổ sung HHO, suất tiêu hao nhiên liệu giảm 9.65% so với khi chạy bằng xăng và giảm 15.70% so với khi chạy bằng LPG. Nồng độ oxygen trong khí thải rất thấp cho thấy hỗn hợp cháy sạch [27].
1.3. Các phƣơng pháp sản xuất khí hydrogen
1.3.1. Hóa nhiệt nhiên liệu hydrocarbon
a) Hóa nhiệt khí thiên nhiên với hơi nước (Natural gas steam reforming)
Quá trình này gồm hai bước chính. Trước hết, khí thiên nhiên (với thành phần chủ yếu là methane) được tách carbon và chuyển hóa thành hydrogen nhờ hơi nước dạng siêu nhiệt dưới áp suất cao, xúc tác thích hợp ở nhiệt độ khoảng 900°C.
4 2 3 2
CH H OCO H (1-3)
Carbon mono-oxide sinh ra lại tiếp tục được phản ứng với hơi nước và xúc tác chuyển hóa thành khí carbonic và tạo ra thêm khí hydrogen.
2 2 2
Sinh viên thực hiện: Lê Văn Nguyên Người hướng dẫn: ThS.GVC Nguyễn Lê Châu Thành Lê Văn Thuận
Trương Nguyễn Hồng Long 22
Đây là phương pháp cơng nghiệp phổ biến hiện nay để sản xuất hydrogen. Tuy nhiên phương pháp này không được áp dụng để tạo một nguồn năng lượng mà chỉ để cung cấp nguyên liệu cho các ngành hóa chất, phân bón, tinh lọc dầu mỏ v.v.
b) Khí hóa hydrocarbon nặng (Gasification heavy hydrocarbon)
Thuật ngữ hydrogencarbon nặng là để nói đến dầu mỏ và than đá. Than đá trước khi khí hóa phải được nghiền thành dạng bột rồi hòa trộn với nước. Thông thường, nhiên liệu được hóa nhiệt ở khoảng 14000C với oxygen hay khơng khí (oxygen hóa khơng hồn tồn), tạo ra hỗn hợp gồm hydrogen, carbon mono oxide (CO) và vài sản phẩm phụ. CO sinh ra lại tiếp tục được phản ứng với hơi nước và xúc tác chuyển hóa thành khí cacbonic và tạo ra thêm khí hydrogen, tương tự như bước thứ hai của q trình hóa nhiệt khí thiên nhiên.
Rõ ràng đây không phải là phương pháp tối ưu. Bất lợi lớn nhất của nó là sử dụng nhiên liệu hóa thạch làm nguyên liệu và đồng thời cũng làm nhiên liệu cung cấp nhiệt lượng cho quá trình. Nhiên liệu hóa thạch là nguồn tài nguyên hữu hạn, thêm vào đó, việc đốt chúng tạo ra khí cacbonic gây hiệu ứng nhà kính. Do đó phương pháp này xét về lâu dài không bền vững.
Tuy vậy, phương pháp sản xuất khí hydrogen từ nhiên liệu hóa thạch đã và sẽ còn chiếm ưu thế trong tương lai gần. Lý do chính yếu là do trữ lượng nhiên liệu hóa thách cịn tương đối dồi dào, nhất là đối với khí thiên nhiên. Hơn nữa, những công nghệ này (phương pháp sản xuất hydrogen cơng nghiệp từ khí thiên nhiên nói riêng và nhiên liệu hóa thạch nói chung) đã khá quen thuộc trong cơng nghiệp hóa chất, trong khi cơ sở hạ tầng cho việc phát triển sản xuất hydrogen từ các nguồn khác cịn thiếu thốn. Vì vậy, một khi nhiên liệu hóa thạch vẫn cịn rẻ thì phương pháp này vẫn có chi phí thấp nhất. Thêm vào đó, để hạn chế mặt tiêu cực này của nhiên liệu hóa thạch, ta có thể dùng cơng nghệ tách khí carbonic rồi thu hồi và chơn lấp chúng
c) Quy trình hiện đại tạo ra hydrogen từ khí thiên nhiên mà khơng thải ra CO2
Từ những năm 1980, Kværner - một tập đồn dầu khí của Na Uy đã phát triển cơng nghệ mang tên "Kvỉrner Carbon Black and Hydrogen Process" (KCB&H). Nhà máy đầu tiên dựa trên quy trình Kvỉrner hiện đại này đặt ở Canada và bắt đầu sản xuất vào tháng 6 năm 1999. Quy trình cung plasma - Kvỉrner ở nhiệt độ cao (1600oC)
Sinh viên thực hiện: Lê Văn Nguyên Người hướng dẫn: ThS.GVC Nguyễn Lê Châu Thành Lê Văn Thuận
Trương Nguyễn Hoàng Long 23
tách hydrogen và than hoạt tính từ hợp chất hydrocarbon như dầu mỏ hay khí thiên nhiên mà không thải ra CO2.
Than đen tinh khiết này được dùng trong sản xuất vỏ xe hơi và dùng như chất khử trong công nghiệp luyện kim. Nhờ một số tính chất đặc biệt mà chúng cịn có thể dùng để lưu trữ hydrogen (ống carbonnano).
d) Khí hóa sinh khối và nhiệt phân (biomass gasification and pyrolysis)
Sinh khối có thể được sử dụng để sản xuất hydrogen. Đầu tiên, sinh khối được chuyển thành dạng khí qua q trình khí hóa ở nhiệt độ cao có tạo ra hơi nước. Hơi nước chứa hydrogen được ngưng tụ trong các dầu nhiệt phân và sau đó có thể được hóa nhiệt để sinh ra hydrogen. Q trình này thường tạo ra sản lượng hydrogen khoảng từ 12%-17% trọng lượng hydrogen của sinh khối. Nguyên liệu cho phương pháp này có thể gồm các loại mảnh gỗ bào vụn, sinh khối thực vật, rác thải nông nghiệp và đô thị v.v. Do các chất thải sinh học được sử dụng làm nguyên liệu như vậy, phương pháp sản xuất hydrogen này hoàn toàn tái tạo được (renewable) và bền vững.