Đề tài được thực hiện từ tháng 3 đến tháng 8 tại trại heo gia đình anh Huỳnh Công Bằng số 23/3 tổ 13, ấp Trung Lân, xã Bà Điểm, huyện Hóc Môn, Thành phố Hồ Chí Minh và tại trại bò trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh.
3.2. Vật liệu và thiết bị sử dụng
Biogas được ủ từ phân heo. Xăng A92.
Máy phát điện công suất 10 kVA. Đồng hồ đo ampe và volt.
Máy đo khí xả.
Túi nhựa dẻo trữ gas chiều dài 4,5 m, đường kính 0,75 m. Ống nhựa PVC có đường kính 21 mm.
Bóng đèn loại 500 W, 300 W, 100 W, bàn ủi công suất 1000 W.
Các dụng cụ khác như: Táp lô lớn, phích cắm điện, công tắc điện, kéo, kềm, băng keo đen, dây điện…
3.3. Phƣơng pháp, bố trí thí nghiệm 3.3.1. Giai đoạn 1
- Chuẩn bị gas nhiên liệu cho chạy máy: Cột kín 2 đầu của túi nylon, một đầu cố định, một đầu mang ống nhựa để trữ, đo lượng gas hoặc dẫn khí vào máy phát điện. Tiến hành nối ống dẫn gas này vào lỗ thoát khí của hầm biogas để trữ gas vào túi. Kiểm tra túi, ống dẫn, van khoá, không để gas xì. Tính toán lượng gas trong túi trữ theo kích thước của túi bằng công thức sau:
Lượng gas (m3) = chiều dài túi x 3,14 x (đường kính túi/2)2
- Khảo sát được tiến hành tại Hóc Môn bằng nhiên liệu biogas ở chế độ không tải
3.3.1.1. Bƣớc 1: Khảo sát nồng độ các loại khí thải, hiệu điện thế ở 2 đầu ra của máy
Thí nghiệm được ghi nhận 10 lần lặp lại ở 10 thời điểm khác nhau với khoảng cách 7 ngày.
Tiến hành: Dùng ống dẫn gas từ túi trữ vào động cơ, khởi động máy, điều chỉnh bướm gas để máy hoạt động với công suất nhỏ, không tải từ máy ra ngoài các thiết bị điện.
- Dùng đồng hồ đo và ghi nhận hiệu điện thế giữa 2 đầu ra của máy.
- Cho đầu dò của máy đo khí xả vào ống bô của máy để đo nồng độ các loại khí xả. Thời gian một lần đo là 30 giây. Ghi nhận kết quả đo được, thời gian máy chạy hết lượng gas trong túi.
3.3.1.2. Bƣớc 2: Khảo sát nồng độ các loại khí thải, hiệu điện thế ở 2 đầu ra của máy
phát điện khi hoạt động ở chế độ không tải có công suất trung bình.
Cách tiến hành thực hiện các giai đoạn như ở bước 1 nhưng thay vào đó máy phát điện được điều chỉnh ở chế độ không tải với công suất trung bình.
3.3.1.3. Bƣớc 3: Khảo sát nồng độ các loại khí xả, hiệu điện thế ở 2 đầu ra của máy
phát điện khi hoạt động ở chế độ không tải có công suất cao.
Cách tiến hành thực hiện các giai đoạn như ở bước 1 nhưng thay vào đó máy phát điện được điều chỉnh ở chế độ không tải với công suất cao.
3.3.2. Giai đoạn 2
Chuẩn bị
Dùng ống dẫn nối gas vào động cơ của máy phát điện. Nối dây tải điện từ máy phát điện ra các thiết bị gồm: 7 bóng đèn tròn công suất 500 W, 1 bàn ủi công suất 1000 W, 6 bóng đèn tròn công suất 300 W, 2 bóng đèn tròn công suất 100 W. Khởi động máy, lần lượt điều chỉnh bướm gas để máy hoạt động ở các chế độ công suất nhỏ, vừa và cao.
- Công suất nhỏ: tương ứng tải 3 kW (lần lượt mở 6 bóng tròn có công suất 500 W).
- Công suất trung bình: tương ứng tải 5 kW (lần lượt mở tiếp 1 bàn ủi, 2 bóng đèn có công suất 500 W).
- Công suất cao: tương ứng tải 7,5 kW (lần lượt mở tiếp các bóng đèn còn lại.)
Khảo sát được tiến hành tại Hóc Môn dùng nhiên liệu biogas ở chế độ có tải. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.3.2.1. Bƣớc 1: Khảo sát khả năng tải, nồng độ các loại khí thải của máy khi máy
Thí nghiệm được ghi nhận 10 lần lặp lại ở 10 thời điểm khác nhau với khoảng cách 7 ngày.
Tiến hành: Dùng ống dẫn gas vào động cơ. Nối dây tải điện từ máy ra các thiết bị gồm 6 bóng đèn có công suất 500 W, khởi động máy, điều chỉnh bướm gas sao cho máy hoạt động ở mức thấp. Bật công tắc phát điện sau đó mở lần lượt 6 bóng đèn.
Dùng đồng hồ đo và ghi nhận hiệu điện thế, cường độ dòng điện do máy phát ra.
Đặt đầu dò của máy đo khí xả vào ống bô của máy để đo nồng độ các loại khí xả. Thời gian đo mỗi lần là 30 giây sau đó rút đầu dò ra. Ghi nhận kết quả, thời gian để máy chạy hết lượng gas trong túi.
3.3.2.2. Bƣớc 2: Khảo sát khả năng tải, nồng độ các loại khí thải của máy khi máy
hoạt động ở chế độ có tải công suất trung bình.
Cách tiến hành thực hiện các giai đoạn như ở bước 1 nhưng thay vào đó máy phát điện, các thiết bị tải được điều chỉnh ở mức độ trung bình.
3.3.2.3. Bƣớc 3: Khảo sát khả năng tải, nồng độ các loại khí thải của máy khi máy
hoạt động ở chế độ có tải công suất cao.
Cách tiến hành thực hiện các giai đoạn như ở bước 1 nhưng thay vào đó máy phát điện, các thiết bị tải được điều chỉnh ở mức độ cao.
3.3.3. Giai đoạn 3
Chạy máy phát điện bằng nhiên liệu xăng tại trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh
Các bước chuẩn bị, chỉ tiêu, bố trí, tiến hành thí nghiệm giống như phần giai đoạn 1 và 2 nhưng thay nhiên liệu sử dụng là xăng.
Chƣơng 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Qua thời gian tiến hành vận hành máy phát điện bằng nhiên liệu xăng hoặc biogas cùng với việc đo đạc và xử lý số liệu chúng tôi thu được những kết quả sau.
4.1. Ảnh hƣởng của tốc độ vận hành máy và lƣợng nhiên liệu lên nồng độ khí thải, hiệu điện thế và lƣợng nhiên liệu tiêu thụ ở chế độ không tải
Kết quả khảo sát được trình bày theo giá trị trung bình ở bảng 4.1.
Bảng 4.1. Ảnh hƣởng của tốc độ vận hành máy và nhiên liệu lên nồng độ khí thải, hiệu điện thế và lƣợng nhiên liệu tiêu thụ ở chế độ không tải
Tốc độ Nhiên liệu Thấp (n = 10) Trung bình (n = 10) Cao (n = 10) Nhiên liệu tiêu
thụ Xăng (lít/giờ) 4,05 0,05 4,54 0,04 6,54 0,03 Gas (m3/giờ) 3,52 0,04 5,04 0,05 5,98 0,04 Volt Xăng 99,7 1,1 224,5 1,6 377 4,67 Gas 94,9 3,61 166,6 2,3 287,4 6,6 CO (% thể tích) Xăng 6,609 0,01 6,61 0,01 8,84 0,02 Gas 0,08 0,00 0,09 0,00 0,1 0,00 HC (ppm) Xăng 225,4 0,23 554,1 5,82 824,8 3,74 Gas 474 2,06 379 3,0 192 3,11 NOx (ppm) Xăng 11,9 0,07 13,7 0,05 10,75 0,01 Gas 28,57 0,13 26,28 0,08 22,42 0,10 CO2 (% thể tích) Xăng 5,48 0,09 7,91 0,09 8,88 0,13 Gas 6 0,07 7,1 0,04 9,3 0,08 O2 (% thể tích) Xăng 9,05 0,04 1,19 0,03 0,07 0,18 Gas 12,41 0,07 20,69 0,01 7,52 0,06 Xăng 0,81 0,00 0,93 0,00 0,73 0,01 Gas 1,94 0,01 1,78 0,05 1,53 0,01
Hàm lượng khí thải cho phép theo tiêu chuẩn Euro 1 và 2 của chỉ tiêu HC, NOx và CO được trình bày ở bảng 4.2.
Bảng 4.2. Bảng tiêu chuẩn khí thải Euro 1 và Euro 2 đối với động cơ xăng [8]
Kết quả bảng 4.1. cho thấy khi chạy máy ở tốc độ càng cao thì lượng nhiên liệu tiêu thụ càng nhiều vì khi đó bướm gas được mở rộng làm hoà khí giữa nhiên liệu và không khí nhiều hơn. Tốc độ đốt cháy nhiên liệu nhanh hơn nhằm sinh công nhiều hơn để tăng số vòng quay của máy. Kết quả mức tiêu thụ nhiên liệu tăng theo bướm gas mở rộng được cho thấy ở cả hai loại nhiên liệu chạy bằng xăng hoặc biogas. Ở điều chỉnh bướm gas có công suất thấp đã cho thấy lượng nhiên liệu tiêu thụ bằng xăng là 4,05 lít/giờ; trong lúc đó bằng biogas chỉ là 3,52 m3/giờ. Do đó 1,15 lít xăng tiêu thụ tương đương với 1 m3
gas. Trong lúc đó theo những ghi nhận trước khi đốt 0,9 lít dầu tương đương với 1 m3
mêtan và 1,15 lít xăng tương đương với 1 m3 mêtan. Như vậy so với xăng lượng gas sinh học có mức tiêu thụ nhiên liệu ở công suất thấp của chế độ không tải là thấp hơn nhiều so với các ghi nhận trước đây. Tỉ lệ này cao lên ở mức tiêu thụ nhiên liệu trung bình là 1 m3 gas tương đương với 0,9 lít xăng và thấp xuống ở mức tiêu thụ nhiên liệu cao là 1 m3 gas tương đương với 1,09 lít xăng. Diển biến sai khác này có thể được giải thích như sau: Về nguyên tắc, xăng phải được chuyển từ dạng lỏng sang dạng hơi trước khi được đốt cháy trong pítton, nên khi vận hành máy ở tốc độ thấp sự hòa khí của xăng cao hơn gas, do phải chuyển xăng từ dạng lỏng sang dạng hơi vì thế đã có một phần xăng không được đốt cháy hoàn toàn đã thoát ra ngoài làm nhiên liệu tiêu tốn nhiều hơn. Trong lúc đó, khi vận hành máy ở tốc độ trung bình sự hòa khí của xăng đủ để chạy máy, đồng thời do ban đầu hòa khí của gas thấp nên khi tăng tốc độ lượng gas được máy hút vào tăng nhanh chóng để tăng độ đậm cho hòa khí đảm bảo cho máy hoạt động. Do đó khi chuyển tốc độ máy từ thấp sang trung bình thì lượng gas tiêu thụ tăng nhiều so với xăng. Ngược lại, khi vận hành máy ở tốc độ cao sự hòa khí giữa gas đã ổn định trong khi sự hòa khí của xăng vẫn còn phải chuyển nhiên liệu từ thể lỏng sang thể khí nên lượng xăng tiêu thụ phải nhiều hơn.
Kết quả khảo sát so sánh ảnh hưởng của nhiên liệu xăng hoặc biogas lên nồng độ khí thải được trình bày ở bảng 4.1. và hình 4.1.
Tiêu chuẩn HC (%V) NOx (%V) CO (%V)
Euro 1 1,13 0,14 3,16
Biểu đồ so sánh nồng độ HC và NOx khi vận hành máy ở chế độ không tải 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 HC NOx HC NOx Khí thải xăng Khí thải biogas (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Khí thải N ồ n g đ ộ ( p p m ) Thấp Trung bình Cao
Hình 4.1. Biểu đồ so sánh lƣợng khí HC, NO2 thải ra của máy sử dụng xăng hoặc biogas ở chế độ không tải
Biểu đồ so sánh khí CO, CO2, O2, λ khi vận hành máy ở chế độ
không tải 0 2 4 6 8 10 12 14 CO CO2 O2 λ CO CO2 O2 λ
Khí thải xăng Khí thải biogas
Khí thải N ồ n g đ ộ ( % t h ể t íc h ) Thấp Trung bình Cao
Hình 4.2. Biểu đồ lƣợng khí CO, CO2, O2 và thải ra của máy sử dụng xăng hoặc biogas ở chế độ không tải
Dựa vào bảng 4.1.; hình 4.1. và hình 4.2. cho thấy trong cả hai trường hợp vận hành máy bằng nhiên liệu biogas hoặc xăng hàm lượng CO trong khí thải đều tăng khi tăng tốc độ vận hành máy từ tốc độ thấp sang trung bình, và giảm ở mức tốc độ cao. Khi sử dụng nhiên liệu là biogas kết quả đo nồng độ CO khi vận hành máy ở 3 mức
lần lượt là 0,08 %; 0,09 % và 0,1 % đối với xăng là 6,05 %; 6,61 % và 8,84 % vì khi vận hành máy ở tốc độ cao lượng nhiên liệu đi vào piston nhiều nên một phần đã không được đốt cháy hoàn toàn làm gia tăng lượng CO.
Hơn nữa lượng nhiên liệu đốt cháy không hoàn toàn đã sinh ra lượng HC cao trong khí xả khi chạy máy bằng nhiên liệu xăng so với nhiên liệu biogas. Mức khí xả có hàm lượng HC tăng dần khi tăng tốc độ vận hành máy sử dụng nhiên liệu xăng. Điều này có lẽ do trong thành phần của xăng còn có một lượng hydrocacbon làm nhiệm vụ chống kích nổ. Những chất này không bị đốt cháy nhiều khi động cơ hoạt động ở chế độ không tải làm nồng độ HC của máy chạy bằng nhiên liệu xăng có giá trị cao hơn so với nhiên liệu biogas. Quan sát này thấy rõ nhất trong hai trường hợp trung bình và cao. Ở nhiên liệu xăng là 554,1 ppm và 824,8 ppm, đối với nhiên liệu biogas là 379 ppm và 192ppm. Riêng ở tốc độ thấp thì dư lượng HC ở biogas là 474 ppm cao gấp 2 lần so với nhiên liệu xăng là 225,4. Điều này có thể do hàm lượng HC trong máy chạy nhiên liệu biogas chưa bị đốt hết vì thế làm một phần HC thất thoát ra ngoài. Tuy nhiên nồng độ CO2 vẫn tăng khi tăng tốc độ chạy máy vì nhiên liệu bị đốt cháy nhiều hơn khi chạy ở tốc độ cao để sinh công để tăng số vòng quay của máy đồng thời dư lượng O2 giảm xuống.
Hàm lượng NOx giảm dần khi tăng tốc độ chạy máy nhưng không đáng kể. Dư lượng NOx khi chạy bằng biogas cao hơn lần lượt là 28,57 ppm; 26,28 ppm và 22,42 ppm so với khi chạy xăng là 11,9 ppm; 13,7 ppm và 10,75 ppm ở cùng một tốc độ bởi vì trong biogas vẫn còn tồn tại một lượng NH3 và N2 khi cháy sẽ chuyển hóa thành NOx. Tuy nhiên, giá trị NOx giảm dần khi tăng tốc độ chạy máy vì khi đó lượng NH3, N2 chưa bị đốt cháy hết có lẽ do hàm lượng CO2 sinh ra từ phản ứng cháy của mêtan đã làm tắt sự đốt cháy nhiên liệu.
Đối với máy chạy nhiên biogas thì dư lượng không khí ( ) luôn luôn giảm với tỷ số đáng kể ở 3 trường hợp tốc độ thấp, trung bình và cao lần lượt là 1,94; 1,79 và 1,53. Trong khi đó dư lượng không khí ( ) trong động cơ chạy bằng xăng thì dao động hầu như không đáng kể lần lượt là 0,81; 0,93 và 0,73. Điều này có thể là do bộ chế hoà khí chỉ phù hợp cho động cơ chạy nhiên liệu xăng và được trộn theo tỷ lệ nhất định giữa xăng và không khí, nên khi máy vận hành thì dư lượng không khí ( ) không có sự thay đổi so với động cơ chạy nhiên liệu biogas. Hơn nữa, tỷ lệ trộn giữa thành phần khí trong biogas và không khí thay đổi do đó dư lượng không khí ( ) luôn thay đổi.
Đối với tốc độ vận hành máy cao thì dư lượng không khí ( ) thấp nhất, điều này có lẽ do hỗn hợp được trộn quá đậm có nghĩa là lúc này lượng biogas nhiều hơn không khí nên lượng không khí được sử dụng hết vì thế dư lượng không khí ( ) ra ít.
Ở mức thấp thì hòa khí được trộn loãng, có nghĩa lượng biogas ít hơn không khí nên lượng không khí chưa được sử dụng hết vì thế dư lượng không khí ( ) thải ra cao.
4.2. Ảnh hƣởng của tốc độ vận hành máy và nhiên liệu lên nồng độ khí thải, hiệu điện thế và lƣợng nhiên liệu tiêu thụ ở chế độ có tải.
Kết quả khảo sát được trình bày theo giá trị trung bình ở bảng 4.3.
Bảng 4.3. Ảnh hƣởng của tốc độ vận hành máy và nhiên liệu lên nồng độ khí thải, hiệu điện thế và lƣợng nhiên liệu tiêu thụ ở chế độ có tải
Tốc độ Nhiên liệu Thấp (n = 10) Trung bình (n = 10) Cao (n = 10)
Nhiên liệu tiêu thụ
Xăng (lít/giờ) 5,03 0,06 6,54 0,05 8,46 0,05 Gas (m3/giờ) 6,1 0,05 9,53 0,04 12,07 0,05 Volt (V) Xăng 215,2 0,33 218,7 0,86 238 0,94 Gas 209,4 10,1 210,6 0,34 214,2 0,42
Ampe (A) Xăng 8,61 0,04 15,56 0,05 29,06 0,07 Gas 8,66 0,05 15,91 0,03 30,42 0,03 Công suất lý thuyết
(W) Xăng 3000 5000 7500 Gas 3000 5000 7500 Công suất thực tế (W) Xăng 1853 10,5 3403,3 20 6794,4 36,1 Gas 1811 88,1 3350,6 8,8 6668 13,3 CO (% thể tích) Xăng 7,61 0,07 8,07 0,02 9,05 0,09 Gas 1,11 0,013 1,48 0,05 2,98 0,01 HC (ppm) Xăng 555 4,16 424 0,92 369,7 5,66 Gas 215,5 2,48 234,6 1,86 375,8 1,84 NOx (ppm) Xăng 14,2 0,116 12,6 0,12 10,97 0,13 Gas 15,28 0,06 14,81 0,06 13,58 0,01 CO2 (% thể tích) Xăng 7,96 0,09 8,49 0,1 7,06 0,05 Gas 12,17 0,08 13,46 0,13 11,14 0,05 O2 (% thể tích) Xăng 7,11 0,09 0,98 0,13 0,70 0,02
Gas 1,74 0,09 1,52 0,11 1,19 0,01 Xăng 0,96 0,01 0,86 0,01 0,75 0,01 Gas 1,04 0,01 1,01 0,00 0,93 0,00
Dựa vào bảng kết quả cho thấy ở cả 3 mức tốc độ nhỏ, trung bình và cao thì công suất của máy khi chạy bằng nhiên liệu xăng luôn luôn cao hơn biogas mặc dù độ