ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
LÊ HỮU TUYÊN
C
C
R
L
T.
THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU TỐC CHO ĐỘNG CƠ
DU
DIESEL SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIOGAS-HYDROGEN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Đà Nẵng – 2020
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
LÊ HỮU TUYÊN
THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU TỐC CHO ĐỘNG CƠ
C
C
DIESEL SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIOGAS-HYDROGEN
R
L
T.
DU
Chuyên Ngành
Mã số
: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
: 85.20.11.6
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Người hướng dẫn khoa học: TS. PHAN MINH ĐỨC
Đà Nẵng – 2020
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả được tôi trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng
được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận văn
C
C
LÊ HỮU TUYÊN
DU
R
L
T.
THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU TỐC CHO ĐỘNG CƠ DIESEL
SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIOGAS-HYDROGEN
Học viên: Lê Hữu Tuyên Chuyên ngành: Kỹ thuật Động cơ nhiệt
Mã số: 85.20.11.6 Khóa: K36 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN
Tóm tắt- Việc nghiên cứu và ứng dụng nhiên liệu sạch cho động cơ đốt trong là cần thiết, phù
hợp với xu thế chung hiện nay. Do vậy, nghiên cứu một cách cơ bản, thiết kế chuyển đổi động
cơ diesel sang sử dụng biogas – hydrogen để thay thế phần lớn nhiên liệu diesel bằng nhiên liệu
biogas sẽ góp phần giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch và giảm ô nhiêm môi
trường. Đề tài này tập trung nghiên cứu, thiết kế bộ điều tốc động cơ diesel sử dụng nhiên liệu
biogas-hydrogen. Bộ điều tốc này tích hợp bên trong cơ cấu truyền động của động cơ. Khi chạy
bằng biogas, lò xo điều tốc diesel thả lỏng ở chế độ không tải. Tốc độ động cơ được giữ ổn định
nhờ bộ điều tốc biogas. Bộ điều tốc này sử dụng bộ phận cảm ứng tốc độ của động cơ diesel
nguyên thủy.Với bộ điều tốc này thiết kế này, động cơ dual fuel biogas-diesel có mức độ dao
động tốc độ khoảng 100 vòng/phút, tức khoảng 5% so với tốc độ trung bình.
C
C
R
L
T.
Từ khóa – Nhiên liệu tái tạo; Biogas; động cơ lưỡng nhiên liệu biogas/diesel; Động cơ
biogas, bộ điều tốc động cơ.
DU
DESIGN CREATION THE SPEED GOVERNOR FOR DIESELEN
GINE USING BIOGAS-HYDROGEN FUEL
Abstract – Research and application of clean fuels for internal combustion engines is
needed, consistent with the current general trend. Therefore, basic research, designing a
conversion of diesel engine using biogas - hydrogen to replace most of diesel fuel with biogas
will contribute to reducing dependence on fossil fuels and reducing Environmental pollution.
The thesis focus on the study, design of the diesel speed governor using biogas-hydrogen fuel.
This governor is integated into the engine mechanism. When running on the biogas fuel, the
spring of diesel governor is zero at idle regime. The speed engine is kept constand by the biogas
governor. This governor uses the speed sensor of the original diesel engine. With the governor’s
study, The dualfuel biogas-diesel engine has speed fluctuation of about 100 rpm, or about 5%
of the average speed.
Key words - Renewable fuels; Biogas; dualfuel biogas/diesel engine; Biogas
engines, governor engine.
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ............................................................................................... 1
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ........................................................................................ 1
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ............................................................ 2
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................................... 2
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ................................................................. 2
5.1. Ý nghĩa khoa học ...................................................................................................... 2
C
C
R
L
T.
5.2. Ý nghĩa thực tiễn ...................................................................................................... 2
6. CẤU TRÚC LUẬN VĂN ........................................................................................... 2
DU
Chương 1 - TỔNG QUAN .............................................................................................. 3
1.1. VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG VÀ MÔI TRƯỜNG ...................................................... 3
1.1.1 . Sự bùng nổ khí hậu toàn cầu hiện nay .................................................................. 3
1.1.2. Hiểm họa đã và đang xảy ra tại Việt Nam ........................................................... 4
1.1.3. Vấn đề ô nhiễm môi trường do nguồn năng lượng hóa thạch gây ra .................... 4
1.2. SỰ CẦN THIẾT PHẢI CÓ NGUỒN NHIÊN LIỆU THAY THẾ .......................... 5
1.3. ƯU THẾ CỦA NHIÊN LIỆU BIOGAS .................................................................. 6
1.4. TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU BIOGAS VÀ HYDROGEN .............................. 7
1.4.1. Đặc điểm khí Methane........................................................................................... 7
1.4.2. Đặc điểm khí Sunfua hydro ................................................................................... 8
1.4.3. Đặc điểm khí Cacbon dioxyt ................................................................................. 9
1.4.4. Đặc điểm khí hydrogen ....................................................................................... 10
1.4.5. Yêu cầu của biogas khi sử dụng trong động cơ đốt trong ................................... 11
1.5. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NHIÊN LIỆU BIOGAS VÀ
HYDROGEN CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ............................................................ 12
1.5.1. Tình hình nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu biogas và Hydrogen cho động cơ đốt
trong trên thế giới .......................................................................................................... 12
1.5.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu biogas và Hydrogen cho động cơ đốt
trong ở Việt Nam ........................................................................................................... 15
1.6. KẾT LUẬN ............................................................................................................ 18
Chương 2- CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BỘ ĐIỀU TỐC TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL .... 20
2.1. TỔNG QUAN ĐIỀU TỐC ĐỘNG CƠ ................................................................. 20
2.1.1. Tính ổn định của động cơ .................................................................................... 20
2.1.2. Những điều kiện làm việc của động cơ cần lắp điều tốc ..................................... 21
2.1.3. Giới thiệu về các loại điều tốc phổ biến .............................................................. 24
2.1.4. Bộ điều tốc trực tiếp nhiều chế độ ....................................................................... 25
2.1.5. Các bộ điều tốc gián tiếp. .................................................................................... 27
2.2. TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ NHIÊN LIỆU KÉP ....................................................... 30
2.3. ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT VÀ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ HOẠT ĐỘNG Ở CHẾ ĐỘ
NHIÊN LIỆU KÉP ........................................................................................................ 31
2.4. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN .................................. 32
2.4.1. Cơ sở lý thuyết ..................................................................................................... 32
2.4.2. Phương pháp tính toán ........................................................................................ 36
C
C
2.5. KẾT LUẬN ............................................................................................................ 37
Chương 3- THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU TỐC ĐỘNG CƠ DIESEL SỬ DỤNG
BIOGAS-HYDROGEN ................................................................................................ 38
R
L
T.
DU
3.1. GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ NGHIÊN CỨU .............................................................. 38
3.2. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY VÀ PHÁT THẢI Ô NHIỄM ĐỘNG CƠ DUAL
FUEL BIOGAS-HYDROGEN ..................................................................................... 38
3.2.1. Thiết lập mô hình tính toán ................................................................................. 38
3.2.2. Kết quả mô phỏng ............................................................................................... 40
3.3. KHẢO SÁT BỘ ĐIỀU TỐC ĐỘNG CƠ EV2600NB ........................................... 44
3.3.1. Công dụng và phân loại bộ điều tốc ................................................................... 44
3.3.2. Phân loại[10] ....................................................................................................... 44
3.3.3. Cấu tạo bộ điều tốc của động cơ EV2600 ........................................................... 44
3.3.4. Nguyên lý làm việc .............................................................................................. 45
3.4. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU TỐC BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ EV2600-NB DUAL FUEL
DIESEL-BIOGAS ......................................................................................................... 45
3.4.1. Nguyên lý điều khiển động cơ dual fuel biogas-diesel ....................................... 45
3.4.2. Phương án chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ dualfuel biogas-diesel ..... 46
3.5. TÍNH TOÁN BỘ ĐIỀU TỐC BIOGAS ................................................................ 50
3.5.1. Sơ đồ tính toán và các thông số chọn .................................................................. 50
3.5.2. Các bước tính ....................................................................................................... 52
3.6. KẾT LUẬN ............................................................................................................ 54
Chương 4- THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG
CƠ VỚI BỘ ĐIỀU TỐC MỚI....................................................................................... 55
4.1. MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU......................................................................................... 55
4.1.1. Mục đích .............................................................................................................. 55
4.1.2. Yêu cầu ................................................................................................................ 55
4.2. HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM ................................................................................... 55
4.2.1. Bố trí hệ thống thí nghiệm ................................................................................... 55
4.2.2. Các thiết bị phục vụ thí nghiệm ........................................................................... 56
4.2.3. Qui trình thực nghiệm ......................................................................................... 56
4.3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM.................................................................................. 57
4.4. KẾT LUẬN ............................................................................................................ 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................................60
C
C
DU
R
L
T.
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1. 1 Hiểm họa của sự gia tăng nhiệt độ của trái đất................................................3
Hình 1. 2 Nguồn: Cơ quan Quản lý Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ ..............................5
Hình 1. 3 Công thức phân tử của methane ......................................................................7
Hình 1. 4 Công thức phân tử của H2S .............................................................................8
Hình 1. 5 Công thức phân tử của CO2 ..........................................................................10
Hình 2. 1 Tính ổn định của động cơ .............................................................................21
Hình 2. 2 Chế độ không tải của động cơ Diesel(a) và động cơ Xăng(b) ......................22
Hình 2. 3 Động cơ quay chân vịt tàu thủy .....................................................................23
Hình 2. 4 Sơ đồ bộ điều tốc cơ khí trực tiếp một chế độ (a), và các chế độ làm việc của
động cơ (b) .....................................................................................................................24
C
C
Hình 2. 5 Sơ đồ bộ điều tốc giới hạn (a) và chế độ àm việc của động cơ .....................25
Hình 2. 6 Sơ đồ các bộ điều tốc nhiều chế độ và Đặc tính động cơ Diesel lắp bộ điều tốc
nhiều chế độ. ..................................................................................................................26
R
L
T.
Hình 2. 7 Sơ đồ bộ điều tốc chân không nhiều chế độ ..................................................27
DU
Hình 2. 8 Sơ đồ bộ điều tốc tác dụng gián tiếp không có liên hệ ngược(a); có liên hệ
ngược nối cứng (b) và liên hệ ngược nối mềm(c). ........................................................29
Hình 2. 9 Chế độ làm việc của động cơ gắn điều tốc .......................................................31
Hình 2. 10 Nguyên lý cấp biogas tự động bằng điều tốc ly tâm. .......................................32
Hình 2. 11 Phần tử cảm biến cơ khí ..............................................................................33
Hình 2. 12 Xác định nhân tố ổn định của phần tử cảm biến cơ khí. .............................34
Hình 2. 13 Độ không nhạy của bộ điều tốc cơ khí ........................................................35
Hình 3. 1 Mô hình tính toán mô phỏng ........................................................................39
Hình 3. 2 Diễn biến đồng mức nồng độ nhiên liệu HC, diesel, nhiệt độ T, CO, NOx,
nồng độ thể tích bồ hóng fv và trường tốc độ dòng khí trong buồng cháy động cơ dualful
biogas-hydrogen/diesel. .................................................................................................41
Hình 3. 3 Diễn biến áp suất trong xi lanh động cơ theo gọc quay trục khuỷu tại tốc độ
2400 vòng/phút; M7C3; 20% Hydrogen; fi77-86 trong đó fi=0,77 trước khi phun mồi
diesel và fi=0,86 sau khi phun mồi diesel. ....................................................................41
Hình 3. 4 Ảnh hưởng hệ số tương đương đến nồng độ NOx khi động cơ hoạt động tốc
độ 2400 vòng/phút; M7C3; 20% Hydrogen. .................................................................42
Hình 3. 5 Ảnh hưởng hệ số tương đương đến biến thiên nồng độ CO theo góc quay trục
khuỷu (Biogas M7C3 pha 20% hydrogen; n=2400 vong/phút) ....................................43
Hình 3. 6 ảnh hưởng của hệ số tương đương đến nồng độ HC theo góc quay trục khuỷa.
.......................................................................................................................................43
Hình 3. 7 Kết cấu của bộ điều tốc ................................................................................44
Hình 3. 8 Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ dual fuel biogas-diesel .......................46
Hình 3. 9 Cắt bớt đầu trục cân bằng động ....................................................................47
Hình 3. 10 Gia công lại bánh răng số 4 ........................................................................48
Hình 3. 11 Vị trí lắp bộ điều tốc biogas ........................................................................48
Hình 3. 12 Vị trí lắp trục cần điều khiển .......................................................................50
Hình 3. 13 Hệ thống càng điều khiển ...........................................................................50
Hình 3. 14 Sơ đồ tính toán điều tốc điều chỉnh van tiết lưu biogas dạng cánh bướm ....51
Hình 3. 15 Quan hệ giữa tốc độ động cơ và độ giãn dài của lò xo ..............................54
Hình 4. 1 Bố trí lắp đặt thử nghiệm ...............................................................................55
Hình 4. 2 Thiết bị gây tải ...............................................................................................56
Hình 4. 3 Đường đặc tính tải tại tốc độ 3000 v/p ứng với 60%Biogas ........................58
C
C
DU
R
L
T.
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. 1 Một số tính chất của CH4 [10], [11], [15] ......................................................8
Bảng 1. 2 tính chất quan trọng của H2S ..........................................................................9
Bảng 1. 3 Một số tính chất của SO2 [10], [11], [15] .....................................................10
Bảng 1. 4 Tính chất vật lý của Hydro ............................................................................11
Bảng 3. 1 Thông số động cơ Vikyno EV2600-NB ..........................................................38
Bảng 3. 2 Quan hệ giữa độ giãn lò xo bộ điều tốc biogas và tốc độ động cơ ...............45
Bảng 3. 3 Các thông số đo được của bộ điều tốc biogas..................................................51
Bảng 3.4: Tốc độ làm việc của động cơ và độ giãn dài của lò xo điều tốc khi chạy biogas
có 60% CH4 ...................................................................................................................53
Bảng 4. 1 Công suất động cơ kéo máy phát điện ..........................................................57
C
C
DU
R
L
T.
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ LA TINH
Vh
[dm3]
Thể tích buồng cháy
S
[mm]
Hành trình piston
D
[mm]
Đường kính xi lanh
n
Db
[vòng/phút] Số vòng quay
[mm]
Đường kính cấp biogas
Dh
an
[mm]
Đường kính bộ hỗn hợp
Lb
[mm]
i
Wi
Hệ số dao động của dòng chảy
Chiều dài buồng hỗn hợp
Số xi lanh
[J]
C
C
Công chỉ thị
ffuel
fsec
Thành phần nhiên liệu trong hỗn hợp
fox
psec
Thành phần chất oxy hóa trong hỗn hợp
R
L
T.
Thành phần nhiên liệu thứ cấp trong hỗn hợp
DU
Giá trị tương đối của thành phần hỗn hợp thứ cấp
Sm
Đại lượng nguồn chỉ do truyền chất từ các hạt
nhiên liệu lỏng hay các hạt phản ứng vào pha khí
Đại lượng nguồn do người sử dụng định nghĩa
Suse
r HIỆU MẪU TỰ HY LẠP
CÁC KÝ
Tỉ số nén
s
Góc đánh lửa sớm
Hệ số tương đương
λcs
Tỉ số công suất đầu ra máy phát điện/công suất định mức của động
cơ
λ
Hệ số dư lượng không khí
CÁC CHỮ VIẾT TẮT
A/F
Viết tắt chữ Air/Fuel (Tỷ số hỗn hợp không khí/nhiên liệu)
ASME American Society of Mechanical Engineer (Hội kĩ sư cơ khí Hoa
Kỳ)
ANG Adsorbed Natural Gas (Khí thiên nhiên hấp thụ)
CNG Compressed Natural Gas (Khí thiên nhiên nén)
LPG
Liquefied Petroleum Gas (Khí dầu mỏ hóa lỏng)
LNG
Liquid Natural Gas (Khí thiên nhiên hoá lỏng)
QHV
Nhiệt trị thể tích của nhiên liệu
MtoE Triệu tấn dầu quy đổi
MON Motor Octane Number (Chỉ số octan động cơ)
C
C
DU
R
L
T.
1
MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Hiện nay, trên thế giới nhiên liệu hóa thạch đang được khai thác một cách quá
mức do nhu cầu năng lượng tiêu thụ ngày càng tăng. Sản phẩm cháy của nhiên liệu hóa
thạch là thủ phạm chính gây ô nhiễm môi trường ngày càng trầm trọng. Ngoài các thành
phần ô nhiễm như CO, HC, NOx và các phát thải hạt gây ảnh hưởng trực tiếp tới sức
khỏe con người, CO2 sinh ra từ quá trình cháy là tác nhân chính làm gia tăng nhiệt độ
trái đất, dẫn đến tình trạng biến đổi khí hậu và nước biển dâng, đe dọa cuộc sống của
nhân loại.
Khí sinh học (biogas) được sản xuất bởi quá trình lên men yếm khí của vật liệu
sinh khối, là nhiên liệu khí đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới và ở Việt Nam. Biogas
đóng vai trò là nhiên liệu thay thế cho cả xăng và diesel truyền thống. Chu trình cacbon
trong quá trình sản xuất biogas từ nguyên liệu sinh khối và phát thải cacbon từ hoạt động
đốt cháy biogas là khép kín với năng lượng sử dụng được mặt trời cung cấp. Do đó sử
dụng biogas với vai trò là nhiên liệu không làm tăng khí nhà kính cho bầu khí quyển.
C
C
R
L
T.
Biogas được sản xuất từ quá trình phân hủy yếm khí nên không thể không chứa
những tạp chất không mong muốn. CH4 là thành phần cơ bản nhưng CO2 có thể chiếm
DU
đến 40-50% thể tích trong biogas. CO2 làm giảm nhiệt trị nhiên liệu và giảm tốc độ lan
tràn màng lửa nên ảnh hưởng đến tính ổn định và khả năng tăng tốc của động cơ.
Nếu biogas được làm giàu bằng hydrogen thì nhiệt trị của nhiên liệu và tốc độ
cháy của hòa khí sẽ được cải thiện rõ rệt. Trong điều kiện khí quyển, tốc độ lan tràn
màng lửa của hydrogen (230 cm/s) cao lớn gấp 6 lần tốc độ lan tràn màng lửa của methan
(42 cm/s). Do đó khi làm giàu biogas bằng hydrogen thì thời kỳ cháy trễ, thời gian cháy
của hỗn hợp sẽ được rút ngắn, áp suất cực đại và tốc độ tỏa nhiệt tăng.
Do vậy việc nghiên cứu một cách cơ bản, thiết kế chuyển đổi động cơ diesel sang
sử dụng biogas – hydrogen để thay thế phần lớn nhiên liệu diesel bằng nhiên liệu biogas
sẽ góp phần giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch và giảm ô nhiêm môi
trường.
Vì vậy đề tài “Thiết kế chế tạo bộ điều tốc động cơ diesel sử dụng nhiên liệu
biogas-hydrogen” mang nhiều ý nghĩa khoa học lẫn thực tiễn.
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Mục tiêu chung của đề tài là góp phần giải quyết an ninh nhiên liệu; giảm ô nhiễm
môi trường do khí thải động cơ đốt trong gây ra; ngăn ngừa gây hiệu ứng nhà kính. Mục
tiêu cụ thể của đề tài là giải quyết việc điều khiển cung cấp nhiên liệu biogas-hydrogen
cho động cơ diesel kéo máy phát điện cỡ nhỏ.
2
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
- Đối tượng nghiên cứu: Động cơ diesel cỡ nhỏ 1 xylanh kéo máy phát điện, có
công suất trong phạm vi 5-15kW.
- Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế, chế tạo bộ điều tốc động cơ diesel sử dụng nhiên
liệu biogas-hidrogen.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Đề tài được thực hiện kết hợp lý thuyết và thực nghiệm. Nghiên cứu lý thuyết
quá trình cung cấp, định lượng nhiên liệu, điều tốc của động cơ diesel kéo máy phát
điện; tính toán thiết kế bộ điều tốc. Nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá khả năng làm
việc và hiệu chỉnh thiết kế bộ điều tốc.
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
5.1. Ý nghĩa khoa học
C
C
Luận án đã góp phần nghiên cứu cơ bản và chuyên sâu về động cơ Dual Fuel
(Biogas-Diesel) tại Việt Nam.
5.2. Ý nghĩa thực tiễn
R
L
T.
DU
Đề tài đã góp phần tạo ra một sản phẩm thiết thực, đáp ứng kịp thời nhu cầu của
đời sống kinh tế xã hội.
6. CẤU TRÚC LUẬN VĂN
Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung luận án được chia làm 4 chương trình
bày các nội dung chính như sau:
Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về tình hình sử dụng nhiên liệu khoáng và động cơ
diesel chuyển đổi dùng nhiên liệu khí biogas; các giải pháp cải thiện chất lượng làm việc
của động cơ diesel dùng nhiên liệu biogas;
Chương 2: Nghiên cứu lý thuyết điều khiển cung cấp nhiên liệu cho động cơ diesel,
động cơ diesel kéo máy phát điện;
Chương 3: Nghiên cứu các giải pháp bộ điều tốc cho động cơ diesel dùng nhiên liệu
biogas – hydrogen; Thiết kế và chế tạo bộ điều tốc cho động cơ diesel sử dụng nhiên liệu
biogas được làm giàu bằng hydrogen
Chương 4: Thử nghiệm và hiệu chỉnh thiết kế bộ điều tốc, Xây dựng qui trình công nghệ
chế tạo và lắp đặt bộ điều tốc.
Kết luận và hướng phát triển đề tài.
3
Chương 1 - TỔNG QUAN
1.1. VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG VÀ MÔI TRƯỜNG
1.1.1 . Sự bùng nổ khí hậu toàn cầu hiện nay
Trong hàng thập kỷ qua, nhân loại đã và đang trải qua các biến động khôn lường
của khí hậu toàn cầu. Bề mặt Trái đất, khí quyển và thủy quyển không ngừng nóng lên
làm xáo trộn môi trường sinh thái, đã và đang gây ra nhiều hệ lụy đến đời sống loài
người. Các công trình nghiên cứu quy mô toàn cầu về hiện tượng này đã được các nhà
khoa học ở những trung tâm nổi tiếng trên thế giới tiến hành từ đầu thập kỷ 90 thế kỷ
XX. Hội nghị quốc tế do Liên hiệp quốc triệu tập tại Rio de Janeiro năm 1992 đã thông
qua Hiệp định khung và Chương trình hành động quốc tế nhằm cứu vãn tình trạng “xấu
đi” nhanh chóng của bầu khí quyển Trái đất, vốn được coi là nguyên nhân chủ yếu của
sự gia tăng hiểm họa. Tổ chức nghiên cứu liên chính phủ về biến đổi khí hậu của Liên
hiệp quốc (IPCC) đã được thành lập, thu hút sự tham gia của hàng ngàn nhà khoa học
quốc tế. Tại Hội nghị Kyoto năm 1997, Nghị định thư Kyoto đã được thông qua và đầu
tháng 2/2005 đã được nguyên thủ 165 quốc gia phê chuẩn. Nghị định thư này bắt đầu
có hiệu lực từ 10/2/2005. Việt Nam đã phê chuẩn Nghị định thư Kyoto ngày 25/9/2005.
Gần đây nhất, hội nghị lần thứ 21 Công ước Khung LHQ về biến đổi khí hậu (COP21) tổ chức tại thủ đô Paris của Pháp cam kết giảm lượng khí thải nhằm hạn chế tăng
nhiệt độ trung bình toàn cầu ở mức 20C vào cuối thế kỷ XXI so với thời kỳ tiền công
nghiệp.
C
C
R
L
T.
DU
Nguyên nhân làm gia tăng nhiệt độ trái đất:
Hình 1. 1 Hiểm họa của sự gia tăng nhiệt độ của trái đất
Các báo cáo của IPCC và nhiều trung tâm nghiên cứu có uy tín hàng đầu trên
thế giới công bố trong thời gian gần đây cung cấp cho chúng ta nhiều thông tin và dự
báo quan trọng. Theo đó, nhiệt độ trung bình trên bề mặt địa cầu ấm lên gần 1°C trong
vòng 80 năm (từ 1920 đến 2005) và tăng rất nhanh trong khoảng 25 năm nay (từ 1980
đến 2005). Báo cáo cho rằng nếu không thực hiện được chương trình hành động giảm
khí thải gây hiệu ứng nhà kính theo Nghị định thư Kyoto, đến năm 2035 nhiệt độ bề
4
mặt địa cầu sẽ tăng thêm 2°C. Về dài hạn, có hơn 50% khả năng nhiệt độ tăng thêm
5°C.
Hiện tại, Trái đất đang từng ngày từng giờ nóng lên, với tốc độ như vậy thì chiều
hướng có thể còn nhanh hơn nữa trong tương lai, [12].
1.1.2. Hiểm họa đã và đang xảy ra tại Việt Nam
Như chúng ta đã biết một trong những tác hại của biến đổi khí hậu đó là sự gia
tăng của mực nước biển, khiến cho nhiều vùng đất sẽ bị ngập sâu trong nước. Việt
Nam là một nước có bờ biển dài, nằm ngay sát biển Đông một trong những biển lớn
của thế giới, vì vậy, Việt Nam được xếp vào một trong những nước có nguy cơ chịu
tác động rất nhiều của việc biến đổi khí hậu, cụ thể là sự gia tăng của mực nước biển.
Theo dự báo của Tổ chức Liên chính phủ về Biến đổi khí hậu IPCC thì khu vực
Đông Dương nhiệt độ sẽ gia tăng +1°C vào giai đoạn 2010-2039, và +3° đến +4°C vào
2070-2099; lượng mưa sẽ giảm 20 mm vào 2010-2039, rồi sau đó tăng +60 mm vào
2070-2099; mực nước biển dâng cao 6 cm/năm, đạt mức 20 cm vào 2030, và 88 cm
vào 2100. Tại Việt Nam, nhiệt độ sẽ tăng từ 0,3 - 0,5 độ C năm 2010, từ 1- 2 độ C vào
năm 2020, từ 1,5 - 2 độ C vào năm 2070. Những khu vực có nhiệt độ tăng cao nhất là
Tây Bắc và Việt Bắc.
Cùng với sự gia tăng của nhiệt độ thì trong những năm gần đây hiện tượng bão
lũ cũng xảy ra với tần suất và cường độ mạnh hơn ở Việt Nam. Hiện tượng bão lũ này
xảy ra đặc biệt nghiêm trọng ở hai vùng miền là miền Trung và đồng bằng sông Cửu
Long. Sự tác động của biến đổi khí hậu mà cụ thể là sự gia tăng của mực nước biển
đang có xu hướng làm thu hẹp dần diện tích đất nông nghiệp của nước ta, đặc biệt là
các vùng đất ven biển. Với trên 3.000km bờ biển, Việt Nam được coi là quốc gia có
mức độ dễ bị tổn thương cao hơn trước sự biến đổi khí hậu[12].
C
C
R
L
T.
DU
1.1.3. Vấn đề ô nhiễm môi trường do nguồn năng lượng hóa thạch gây ra
Hiện nay, ô nhiễm khí quyển là vấn đề thời sự nóng bỏng của cả thế giới chứ
không của một quốc gia nào. Môi trường khí quyển đang có nhiều biến đổi rõ rệt và
có ảnh hưởng xấu đến con người và các sinh vật. Việc khai thác và sử dụng hàng tỉ tấn
than đá, dầu mỏ, khí đốt đồng thời cũng thải vào môi trường một khối lượng lớn các
chất thải khác nhau như: rác thải sinh hoạt, chất thải từ các nhà máy và xí nghiệp làm
cho hàm lượng các loại khí độc hại tăng lên nhanh chóng. Nó còn tạo ra các cơn mưa
axít làm huỷ diệt các khu rừng và các cánh đồng. Điều đáng lo ngại nhất là con người
thải vào không khí các loại khí độc như: CO 2 đã gây hiệu ứng nhà kính. Theo nghiên
cứu thì chất khí quan trọng gây hiệu ứng nhà kính là CO2 nó đóng góp 50% vào việc
gây hiệu ứng nhà kính, CH4 là 13%, Nitơ 5%, CFC là 22%, hơi nước ở tầng bình lưu
là 3%. Có nhiều khả năng lượng CO2 sẽ tăng gấp đôi vào nửa đầu thế kỷ sau. Điều này
sẽ thúc đẩy quá trình nóng lên của Trái Đất diễn ra nhanh chóng.
5
Theo các tài liệu khí hậu quốc tế, trong vòng hơn 130 năm qua nhiệt độ Trái đất
tăng 0.4 °C. Tại hội nghị khí hậu tại Châu Âu được tổ chức gần đây, các nhà khí hậu
học trên thế giới đã đưa ra dự báo rằng đến năm 2050 nhiệt độ của Trái đất sẽ tăng
thêm 1.5°C- 4.5 °C nếu như con người không có biện pháp hữu hiệu để khắc phục hiện
tượng hiệu ứng nhà kính.
C
C
R
L
T.
DU
Hình 1. 2 Nguồn: Cơ quan Quản lý Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ
Hình 1.2. Ô nhiễm do khí thải từ các loại phương tiện giao thông đến môi trường
và sức khỏe con người. Một hậu quả nữa của ô nhiễm khí quyển là hiện tượng lỗ thủng
tầng ôzôn. Khí CFC là "kẻ phá hoại" chính của tầng ôzôn. Sau khi chịu tác động của
khí CFC và một số loại chất độc hại khác thì tầng ôzôn sẽ bị mỏng dần rồi thủng, [2].
1.2. SỰ CẦN THIẾT PHẢI CÓ NGUỒN NHIÊN LIỆU THAY THẾ
Từ những năm 1849 - 1850, con người đã biết chưng cất dầu mỏ để lấy ra dầu
hỏa, còn xăng là thành phần chưng cất nhẹ hơn dầu hỏa thì chưa hề được sử dụng đến
và phải đem đổ đi một nơi thật xa. Lúc đó con người tạo ra dầu hỏa với mục đích thắp
sáng hoặc đun nấu đơn thuần. Nhưng với sự tiến hóa của khoa học và kỹ thuật, từ việc
sử dụng những động cơ hơi nước cồng kềnh và hiệu quả thấp, con người đã tìm cách để
sử dụng xăng và dầu diesel cho động cơ đốt trong, loại động cơ nhỏ gọn hơn nhưng có
hiệu quả cao hơn hẳn. Cùng với những khám phá khoa học vĩ đại khác, sự phát minh ra
6
động cơ đốt trong sử dụng xăng và dầu diesel đã thúc đẩy xã hội loài người đạt những
bước phát triển vượt bật, đem đến cuộc sống ấm no, hạnh phúc và văn minh cho hàng
tỷ người trên thế giới.
Những hiệu quả và giá trị của dầu mỏ và động cơ đốt trong mang lại thật sự không
ai có thể phủ nhận được. Nguồn năng lượng chúng mang lại hầu như là chiếm ưu thế
hoàn toàn. Do vậy, mà hầu hết các quốc gia trên thế giới đều muốn chiếm ưu thế và chủ
động về nguồn dầu mỏ. Cuộc khủng hoảng năng lượng vào thập kỷ 70 của thế kỷ 20 đã
một lần nữa khẳng định tầm quan trọng chiến lược của dầu mỏ đối với mỗi quốc gia và
cho toàn thế giới. Nhưng theo dự đoán của các nhà khoa học thì với tốc độ khai thác
hiện nay, trữ lượng dầu mỏ còn lại của trái đất cũng chỉ đủ cho con người khai thác trong
vòng không quá 40 năm nữa.
Bên cạnh đó những hậu quả mà khi chúng ta sử dụng dầu mỏ và động cơ đốt
trong đem lại từ các chất thải khí làm ô nhiễm không khí, làm thủng tầng ôzôn, gây hiệu
ứng nhà kính.Trong các chất độc hại thì CO, NOx, HC do các loại động cơ thải ra là
nguyên nhân chính gây ô nhiễm bầu không khí, ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Do
đó, con người phải đứng trước một thách thức lớn là phải có nguồn nhiên liệu thay thế.
C
C
R
L
T.
Một xu hướng hiện nay, là nghiên cứu thay thế sử dụng nhiên liệu truyền thống:
Xăng, dầu Diesel, bằng các loại nhiên liệu mới “sạch”, nhiên liệu tái sinh cho các loại
động cơ như năng lượng mặt trời, khí thiên nhiên, khí dầu mỏ hóa lỏng, năng lượng
điện, khí sinh vật Biogas, năng lượng thủy điện.Việc chuyển dần sang sử dụng các loại
nhiên liệu không truyền thống đã trở thành chiến lược trong chính sách năng lượng của
nhiều quốc gia phát triển.
DU
1.3. ƯU THẾ CỦA NHIÊN LIỆU BIOGAS
Ngoại trừ năng lượng thuỷ điện và năng lượng hạt nhân, phần lớn năng lượng
trên thế giới đều tiêu tốn nguồn dầu mỏ, than đá và khí tự nhiên. Tất cả các nguồn này
đều có hạn và với tốc độ sử dụng chúng như hiện nay thì sẽ bị cạn kiệt Hoàn toàn vào
cuối thế kỷ 21. Sự cạn kiệt của nguồn dầu mỏ thế giới và sự quan tâm về môi trường
ngày càng tăng đã dẫn đến sự nghiên cứu và phát triển nguồn năng lượng thay thế cho
năng lượng có nguồn gốc dầu mỏ. Biogas là một sự thay thế đầy tiềm năng cho nhiên
liệu chính là dầu mỏ, đang sắp cạn kiệt trong vòng khoảng 30-40 năm nữa. Dựa vào
những tính chất tương tự và những ưu điểm vượt trội của nó.
Một số ưu điểm của nhiên liệu Biogas.
- Đối với môi trường.
+ Giảm lượng khí phát thải CO2, do đó giảm được lượng khí thải là nguyên nhân
chính gây ra hiệu ứng nhà kính, tránh được các thảm họa về môi trường.
7
+ Không có hoặc chứa rất ít các hợp chất của lưu huỳnh (<0,001% so với đến
0,2% trong dầu Diesel).
+ Không chứa HC thơm nên không gây ung thư.
+ Khí thiên nhiên Biogas không chữa chì gây tác hại đến sức khỏe con người,
gây ô nhiễm môi trường không khí.
+ Có khả năng tự phân huỷ và không độc (phân huỷ nhanh hơn Diesel 4 lần, phân
huỷ từ 85 - 88% trong nước sau 28 ngày).
+ Giảm ô nhiễm môi trường nước và đất.
- Đối với kinh tế.
+ Sử dụng nhiên liệu Biogas ngoài vấn đề giải quyết ô nhiễm môi trường nó còn
thúc đẩy ngành nông nghiệp phát triển, tận dụng tiềm năng sẵn có của ngành nông
nghiệp như thúc đẩy phát triển chăn nuôi trang trại, tận dụng các nguồn rác thải sẵn có.
C
C
+ Đồng thời đa dạng hoá nền nông nghiệp va tăng thu nhập ở vùng miền nông
R
L
T.
thôn.
1.4. TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU BIOGAS VÀ HYDROGEN
DU
1.4.1. Đặc điểm khí Methane
Methane (CH4) là thành phần chủ yếu của biogas có cấu tạo phân tử được mô
phỏng trên hình 1.3 [10], [11].
Hình 1. 3 Công thức phân tử của methane
Hàm lượng methane trong khí biogas phụ thuộc vào loại nguyên liệu và cách
vận hành bể phân hủy. Methane là chất khí không màu, không mùi, chỉ nhẹ bằng
nửa không khí, ít hòa tan trong nước. Trong điều kiện áp suất khí quyển CH4 hoá
lỏng ở nhiệt độ –161,5 0C.
Khi đốt cháy methane có ngọn lửa màu lơ nhạt và toả nhiệt theo phương trình:
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + 882 [kJ] (1.2)
Nhiệt trị của methane là 35906 [kJ/Nm3] = 8576 [kcal/Nm3].
Methane là cấu tử cung cấp nhiệt lượng chủ yếu của biogas, do đó nhiệt trị
của biogas phụ thuộc vào hàm lượng của methane và được tính theo công thức kinh
nghiệm sau đây [10], [14], [15]:
8
Q = 8576x%VCH4 /100 [kcal/m3] (1.2)
Trong đó: %VCH4 là hàm lượng khí methane tính theo phần trăm thể tích.
Một số tính chất quan trọng của methane được trình bày trong bảng 1.2.
Bảng 1. 1 Một số tính chất của CH4 [10], [11], [15]
C
C
1.4.2. Đặc điểm khí Sunfua hydro
R
L
T.
DU
Hình 1. 4 Công thức phân tử của H2S
Hydro sunfua (H2S) là một loại khí thường xuyên có mặt trong thành phần
của biogas, với nồng độ của chúng khá nhỏ (0 – 0,5% theo thể tích). Tuy nhiên, loại
khí này lại có ảnh hưởng lớn đến quá trình sử dụng biogas làm nhiên liệu, đặc biệt là
trong động cơ, do đó nó lại quyết định công nghệ xử lý và làm sạch biogas trước khi
sử dụng. Hydro sunfua (H2S) có cấu tạo phân tử được mô phỏng trên hình 1.4
Hydro sunfua là chất khí không màu, rất độc, dễ cháy, có mùi trứng thối
khiến cho khí sinh học cũng có mùi khó chịu [10], [11], [15]. H2S có tính độc cao, có
thể gây tổn thương mắt ở nồng độ (50 - 100) ppm, gây kích thích mạnh hệ thần kinh
trung ương, gây ngạt thở và chết ở nồng độ (530 - 1000) ppm.
Khi H2S cháy với tỉ lệ không khí/biogas đúng, chúng biến thành lưu huỳnh:
2H2S+O2 = 2H2O+2S
(1.3)
- Xem thêm -