4.11 Thành phần và nhiệt độ của sản phẩm cháy :
Methane chỉ chứa 75% khối lượng carbon so với 87 ÷ 88% đối với nhiên liệu lỏng truyền thống. Trong điều kiện cháy hồn tồn lí thuyết, thành phần CO2 cực đại trong sản phẩm cháy chỉ đạt 11,7% so với 14,5% đối với iso-octane. Cũng nhờ hàm lượng carbon trong méthane thấp nên khi động cơ làm việc với hỗn hợp giàu, thành phần CO trong khí xả thấp hơn khi sử dụng các hydrocarbure khác. Ứng với độ đậm đặc 1,1 thành phần CO trong sản phẩm cháy chiếm khoảng 2,2% đối với méthane và 3,3% đối với toluen. Nhiệt độ màng lửa của hỗn hợp méthane-khơng khí thấp nên nồng độ NOx trong sản phẩm cháy cũng thấp.
4.12 Khảo sát một số tính chất nhiên liệu biogas sử dụng phần mềm Fluent[7]
Nghiên cứu q trình cháy dual fuel của nhiên liệu có độ tinh khiết cao đã được nhiều nhà khoa học công bố. Mohamed và đồng sự nghiên cứu giới hạn cháy kích nổ của động cơ dual fuel sử dụng các loại nhiên liệu khí LPG, CNG và
methane. Kết quả cho thấy khí methane có tính chống kích nổ cao nhất và hiệu suất động cơ cao nhất. Iván Darío Bedoya và đồng sự đã thiết lập mơ hình vật lý để nghiên cứu tính chất của dịng chảy và của q trình cháy của hỗn hợp LPG và xăng. Kết quả cho thấy vị trí phun nhiên liệu lỏng ảnh hưởng đáng kể đến sự phân bố nhiệt độ và tốc độ trong buồng cháy.
Quá trình đánh lửa và cháy được mơ phỏng trong buồng cháy hình chỏm cầu lớn có bán kính 30mm được cắt bởi mặt phẳng cách tâm 20mm (hình 1). Thể tích buồng cháy là Vc=10-4m3. Vòi phun mồi nhiên liệu diesel được đặt tại tâm A của mặt phẳng trên đỉnh buồng cháy.
Nếu tỉ số nén của động cơ là 18 thì thể tích xi lanh của động cơ là Vh=1,7.10-3m3. Giả sử hệ số nạp của động cơ ηv=1 thì lượng khơng khí cực đại nạp vào động cơ là ma=2,2.10-3kg. Lượng nhiên liệu diesel tối đa có thể phun vào động cơ khi chạy đầy tải là mf=0,15.10- 3kg. Năng lượng lý thuyết nhiên liệu diesel mang vào buồng cháy trong một chu trình khi chạy đầy tải là Q=6,4kJ.
Hình 4-2: Kích thước buồng cháy mơ phỏng
Hình 4-3 : diễn biến q trình đánh lửa biogas-khơng khí (biogas chiếm 70% CH4, 30% CO2 về khối lượng, Ti=800K, Pi=10bar, Tig=1ms, Eig= 230J)
Quá trình đánh lửa và cháy trong buồng cháy trên đây được tính tốn mơ phỏng bởi phần mềm FLUENT trong không gian 3D, nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến nhiệt độ và áp suất trung bình trong buồng cháy.
Hình 4-4 giới thiệu đường cong đánh lửa của 4 loại nhiên liệu khác
nhau trong buồng cháy động cơ dual fuel: propane, butane, LPG (50% propane và 50% butane) và methane. Năng lượng ngọn lửa mồi giả định là 500J với thời gian phun là 1ms. Trước khi đánh lửa, hỗn hợp có áp suất 14bar và nhiệt độ 800K. Kết
quả cho thấy thời điểm
Hình 4-4 : Ảnh hưởng của nhiên liệu đến dạng đường cong cháy(Ti=800K,Pi=14bar,tig=1ms,Eig=500J) (Ti=800K,Pi=14bar,tig=1ms,Eig=500J)
bắt đầu cháy nhanh của methane diễn ra chậm hơn so với 3 loại nhiên liệu còn lại. Trong cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất, chỉ số octane của nhiên liệu càng lớn thì thời kỳ cháy trễ càng kéo dài. Kết quả này cho thấy khả năng sử dụng methane trong động cơ có tỉ số nén cao hơn động cơ sử dụng LPG.
Hình 4-5: Ảnh hưởng của thành phần biogas đến dạng đường cong cháy của hỗn hợp (Ti=800K, Pi=10bar, tig=1ms, Eig=230J)
Thành phần methane trong biogas cũng ảnh hưởng đến dạng đường cong cháy của hỗn hợp. Hình 4-5 giới thiệu kết quả tính tốn đường cong cháy ứng với hàm lượng CO2 trong biogas khác nhau. Kết quả cho thấy hàm lượng CO2 trong biogas càng lớn thì thời điểm bắt đầu cháy nhanh của hỗn hợp càng bị chậm trễ so với thời điểm đánh lửa. Như vậy để động cơ dual fuel hoạt động bình thường đối với nhiên liệu biogas nghèo chúng ta phải tăng góc phun sớm.
Nhiệt độ hỗn hợp trước khi đánh lửa cao giúp hỗn hợp đạt nhiệt độ tự cháy sớm hơn. Hình 4-6 cho thấy khi nhiệt độ trước khi đánh lửa tăng tử 820K lên 900K, thời điểm bắt đầu cháy nhanh của hỗn hợp biogas-khơng khí giảm đi khoảng 2ms. Kết quả này cho thấy khi chuyển động cơ diesel sang động cơ dual fuel biogas- diesel, chúng ta cần giảm tỉ số nén động cơ xuống mức tối thiểu để tránh kích nổ khi động cơ làm việc với biogas có thành phần methane cao.
Hình 4-6: Ảnh hưởng của nhiệt độ trước khi đánh lửa đến đường cong cháy của hỗn hợp biogas- khơng khí (biogas chứa 70%methane, 30% carbonic theo
khối lượng, Pi=11bar, tig=1ms,Eig=230J)
Áp suất của hỗn hợp trước khi cháy ảnh hưởng rất mạnh đến đường cong cháy cũng như đến sự gia tăng áp suất trong buồng cháy đẳng tích (hình 4.7). Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nhiệt độ. Khi áp suất trong buồng cháy tăng cao, mật độ của hỗn hợp tăng, nếu nhiệt độ trước khi cháy khơng thay đổi thì thời gian phản ứng
diễn ra hồn tồn đối với một thể tích hỗn hợp cho trước gia tăng. Điều này giải thích sự kéo dài thời điểm bắt đầu cháy nhanh khi áp suất trước khi cháy của hỗn hợp tăng.
Hình 4-7: Ảnh hưởng của áp suất trước khi đánh lửa đến dạng đường cong cháy của hỗn hợp biogas-khơng khí (Biogas chứa 70% methane, 30% carbonic
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
KẾT LUẬN:
- Tình trạng gây hiệu ứng nhà kính do khí thải, sự ơ nhiễm mơi trường sinh thái, vấn đề an tồn nguồn năng lượng, các nguồn nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch ngày càng cạn kiệt, hơn nữa giá dầu thô liên tục tăng đã thúc đẩy các quốc gia trên thế giới đẩy mạnh tìm kiếm nghiên cứu sản xuất và ứng dụng các loại nhiên liệu tái sinh, một trong những loại nhiên liệu đó là nhiên liệu khí sinh học (biogas).
- Nước ta có khoảng 80% dân số sống ở nơng thơn, chất thải hữu cơ từ các q trình sản xuất nơng nghiệp rất phù hợp cho việc sản xuất biogas. Tuy nhiên do sản xuất nông nghiệp ở nông thôn là nhỏ lẻ, chủ yếu ở quy mơ gia đình nên các hầm biogas có thể tích nhỏ. Tuy vậy việc sản xuất biogas cũng mang lại rất nhiều lợi ích thiết thực cho người dân, việc ứng dụng biogas để đun nấu, chạy các loại động cơ đốt trong cỡ nhỏ phục vụ cho sản xuất và đời sống ở quy mơ gia đình đã và đang được phát triển mạnh mẻ.
- Biogas sau khi tách loại tạp chất H2S và CO2 được đưa đi nén đến áp suất 200 bar (quá trình nén được thực hiện bằng cách nén từng cấp có làm nguội trung gian) và được đưa đi lưu trữ trong bình chứa, vì thế bình chứa phải được làm bằng vật liệu chịu áp cao, đồng thời phải bố trí van an tồn, hệ thống chữa cháy để đảm bảo an toàn cháy nổ trong quá trình lưu trữ biogas.
- Biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong đòi hỏi phải tách loại H2S, CO2. H2S gây ăn mòn các chi tiết của động cơ, khi cháy sinh ra SOx gây ảnh hưởng đến môi trường sinh thái cũng như sức khỏe con người. CO2 làm giảm chất lượng của nhiên liệu biogas. Vì vậy rất cần thiết phải tách loại H2S, CO2 để đáp ứng yêu cầu làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong của biogas.
- Muốn tiến hành xây dựng trạm cung cấp biogas nén làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong địi hỏi phải có nguồn khí sinh học tạo ra lớn. Vì vậy phải xây dựng trạm cung cấp biogas nén ở những nơi có nguồn nguyên liệu sản xuất biogas dồi dào và có vị trí thuận lợi, tạo điều kiện cho việc sản xuất cũng như phân phối khí sinh học (biogas) làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong.
- Xây dựng khu vực xử lý khí tập trung và trạm cung cấp biogas nén làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong là có thể thực hiện được. Tuy nhiên nếu áp dụng thực tế trong thời điểm hiện nay thì có những khó khăn và thuận lợi như sau:
Khó khăn:
Nguồn nguyên liệu đầu vào phải lớn và ổn định
Thành phần khí acide lớn chi phí cho loại bỏ khí acide là rất lớn
Vì thành phần khí khơng ổn định và khá nhẹ nên chi phí vận hành và các phương án an tồn phải cao hơn
Thuận lợi:
Đây là mơ hình giải quyết đồng thời 2 vấn đề năng lượng và môi trường Con người có nhiều bước tiến về mặt cơng nghệ
Vấn đề cạn kiệt các nguồn tài nguyên đang ngày càng trở nên cấp bách KIẾN NGHỊ:
Để hoàn thiện đề tài này, cần tiếp tục nghiên cứu một số vấn đề sau:
- Nghiên cứu các chất hấp phụ, chất hấp thụ mới để nâng cao hiệu suất tách loại tạp chất H2S, CO2 trong thành phần biogas, nhằm làm tăng chất lượng của nhiên liệu biogas.
- Việc nén biogas đến 200bar là khó khăn địi hỏi q trình nén phức tạp cùng với việc lưu trữ biogas trong các bình chứa có sự chịu áp cao làm tăng giá thành biogas thương phẩm, do vậy việc ngiên cứu ứng dụng các loại vật liệu mới trong việc lưu trữ để tăng hiệu quả sử dụng biogas
- Nghiên cứu vấn đề cung cấp biogas cho động cơ đốt trong, nghiên cứu thành phần của CO2 trong biogas ảnh hưởng đến khả năng kích nổ của nhiên liệu trong động cơ đốt trong, từ đó xác định được thành phần tối ưu trong nhiên liệu
- Nghiên cứu hoàn thiện hệ thống tồn trữ biogas, vận chuyển nhiên liệu biogas. - Tính tốn kinh tế cho việc xây dựng trạm cung cấp biogas nén làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong.
Hướng phát triển của khí sinh học (biogas):
- Quy hoạch phát triển các vùng nguyên liệu, đáp ứng đủ nguyên liệu để sản xuất biogas với năng suất lớn, đồng thời nghiên cứu sản xuất biogas từ các loại nguyên liệu mới.
- Đẩy mạnh nghiên cứu ứng dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong, đồng thời mở rộng xây dựng nhiều trạm cung cấp biogas nén làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong.
- Tăng cường khuyến khích phát triển nhiên liệu khí sinh học, có chính sách hỗ trợ đối với người sản xuất cũng như người sử dụng nhiên liệu khí sinh học.
- Đẩy mạnh cơng tác nghiên cứu, đưa ra các tiêu chuẩn kỹ thuật đáp ứng làm nhiên liệu của khí sinh học.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt:
1. GS.TS Trần Ngọc Chấn (2001),
Ơ nhiễm khơng khí và xử lý khí thải, tập I
NXB khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. 2. GS.TS Trần Ngọc Chấn (2001),
Ơ nhiễm khơng khí và xử lý khí thải, tập II
NXB khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. 3. Nguyễn Quang Khải (1995)
Cơng nghệ khí sinh học
NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
5. GS.TSKH Bùi Văn Ga, Trương Lê Bích Trâm, Trần Văn Quang
Tối ưu hóa q trình cung cấp biogas cho động cơ tĩnh tại sử dụng hai nhiên liệu biogas và dầu mỏ
Đại học Đà Nẵng.
6. GS.TSKH Bùi Văn Ga, Trương Lê Bích Trâm, Nhan Hồng Quang (2007)
Động cơ tĩnh tại cỡ nhỏ chạy bằng biogas
Hội nghị khoa học “Công nghệ và quản lý môi trường”, ĐHBK Tp.HCM. 7. GS.TSKH Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Lê Minh Tiến, Nguyễn Việt Hải
Mơ phỏng q trình đánh lửa trong buồng cháy động cơ Dual Fuel Biogas-Diesel
Đại học Đà Nẵng
8. GS.TSKH Bùi Văn Ga, Lê Minh Tiến, Trương Lê Bích Trâm, Nguyễn Văn
Đơng(2009): Hạn chế phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính với cơng nghệ ứng
dụng khí sinh học trên động cơ đốt trong.
Tuyển tập Cơng trình Khoa học Hội nghị Cơ học tồn quốc lần thứ VIII, Tập 1, pp. 383-392. Hà Nội, 8-9/4/2009
9. GS.TSKH Bùi Văn Ga, Lê Minh Tiến, Trương Lê Bích Trâm, Trần Hậu Lương (2008)
Biogas- Gasoline Hybrid Engine
Tạp chí Khoa học – Cơng nghệ Đại học Đà Nẵng, số 3(26), pp. 40-48.
10. GS.TSKH Bùi Văn Ga, Trương Lê Bích Trâm- Trung tâm NCBVMT, Đại học Đà Nẵng.
Trương Hoàng Thiện, Phạm Duy Phúc, Đặng Hữu Thành- Trường Đại học Đà Nẵng, Juliand Arnaud- University Corse, France
Tạp chí khoa học cơng nghệ Đà Nẵng, số 20. 11. Nguyễn Thị Minh Hiền (2004)
Cơng nghệ chế biến khí tự nhiên và khí đồng hành
NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. 12. Nguyễn Quang Khải (2008)
Kỹ thuật và kinh nghiệm xây dựng thiết bị khí sinh học của Việt Nam
NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
13. Nguyễn Quang Khải, Nguyễn Quang Tuấn (2008)
Tổng quan tình hình và triển vọng phát triển cơng nghệ khí sinh học ở Việt Nam
Trung tâm cơng nghệ khí sinh học.
14. Nguyễn Quang Khải, Nguyễn Gia Lượng (2009)
Tình hình phát triển cơng nghệ khí sinh học quy mơ cơng nghiệp
Trung tâm cơng nghệ khí sinh học. 15. Cao Văn Tài (2008)
Nghiên cứu độ độc khí thải động cơ xăng chạy bằng khí hóa lỏng
Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ thủy sản - số 04/2008. 16. Hoa Hữu Thu (2007)
Cơ sở vật lý và hóa học của sự cháy
NXB Đại học quốc gia Hà Nội. 17. Trương Lê Bích Trâm (2008)
Nghiên cứu sản xuất, tinh luyện và ứng dụng khí biogas để làm nhiên liệu cho động cơ cỡ nhỏ ở khu vực nông thôn
Luận văn thạc sĩ khoa học. 18. Th.S Lê Thị Như Ý
Giáo trình cơng nghệ chế biến khí
Trường ĐHBK Đà Nẵng.
Tiếng Anh:
19. A.J. Bruijstens, W.P.H. Beuman, M.v.d. Molen, J.d. Rijke, R.P.M. Cloudt, G. Kadijk, O.o.d. Camp, S. Bleuanus, TNO Automotive (January 2008),
Biogas Composition and Engine Performance, Including Database and Biogas Property Model
Bjorn Hugosson, City of Stockholm Local Consortium Pierre Hirtzberger, Lille Metropole Urban Community.
20. E. Kerkhof
Application of jatropha oil and biogas in a dual fuel engine for rural electrification. Report number: WVT 2008.12
21. GS.TSKH Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Trương Lê Bích Trâm (2008)
Engines fueled by biogas: A contribution to energy saving and climate change mitigation.
The 6th Seminar on Environment Science and Technology Issues Related to Climate Change Mitigation. Japan-Vietnam Core University Program, Osaka, Japan, 26-28 November 2008.
22. GS.TSKH Bui Van Ga, Tran Van Nam, Nguyen Thi Thanh Xuan (2010)
Utilization of biogas engines in rural area: A contribution to climate change mitigation. Colloque International RUNSUD 2010, pp. 19-31, Universite Nice-Sophia
Antipolis, France, 23-25 Mars 2010
23. GS.TSKH Bui Van Ga, Nhan Hong Quang, Truong Le Bich Tram (2007)
Small Power Engine Fueled with Biogas
The 4th Seminar on Environment Science and Technology Issues Related to the Sustainable Development for Urban and Coastal Areas, pp.257-263. Japan- Vietnam Core University Program, Danang.
24. Georgia
Biogas Utilisation handbook
Published by the Environment, Healthy anh Safety Division, Georgia Tech Research Institute, Atlanta.
25. PetroVietnam
Gas division capacity and equipment 26. R. Branan Carl
Rules of Thumb for Chemical Engineers
27. Mr.Sreekantan Nair, Alext. Kariyil, Harikrishnank. S., Nidheesh M. N., Nithin Gopal, Praveesha P., Tony Thomas (2011),
Project report bio-electricity
Carmel Polytechnic electrical & electronics engineering. 28. Stockholm (2003)
Biogas as Vehicle Fuel – a European Overview
Trendsetter Report No 2003:3. Các website: 29. http://www.scribd.com/doc/16272764/Biogas 30. http://www.biogas.org.vn/Web/Default.aspx?index=menu&cat=faq 31. http://www.aboutbioenergy.info/Biogas.html 32. http://vi.wikipedia.org/wiki/Biogas 33. http://en.wikipedia.org/wiki/Biogas 34. http://www.biogas.org.vn 35. http://en.wikipedia.org/wiki/Methane 36. http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_dioxide 37. http://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_sulfide. 38. http://troubleshoot4free.com/fyp/ 39. www.energyefficiencyasia.org