Tham khảo tài liệu 'hệ thống cung cấp khí biogas cho động cơ kéo máy phát điện 2hp', kỹ thuật - công nghệ, điện - điện tử phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả
AMBIENT/
Chủ đề:
Nội dung Text: HỆ THỐNG CUNG CẤP KHÍ BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ KÉO MÁY PHÁT ĐIỆN 2HP
- HỆ THỐNG CUNG CẤP KHÍ BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ
KÉO MÁY PHÁT ĐIỆN 2HP
BIOGAS SUPPLYING SYSTEM FOR A GROUP 2HP SPARK IGNITION
ENGINE-GENERATOR
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 Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
JULIAND ARNAUD
Université Corse, France
TÓM TẮT
Bài báo trình bày hệ thống cung cấp khí biogas hoàn chỉnh cho cụm động cơ đốt trong-máy
phát điện 2HP. Khí biogas sau khi qua hệ thống khử H2S và hấp thụ CO2 được cung cấp cho
động cơ đánh lửa cưỡng bức nhờ bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu biogas/xăng. Bộ phụ kiện
này được phát triển trên cơ sở bộ phụ kiện GA5 sử dụng trên xe gắn máy chạy bằng LPG
bằng cách bổ sung thêm bộ điều tốc phụ. Nhờ vậy động cơ có thể làm việc ổn định ở tất cả
các chế độ tải khác nhau của máy phát.
ABSTRACT
The paper presents a complete biogas supplying system for a group 2HP spark ignition
engine-generator. The biogas after passing H2S treatment apparatus and CO2 absorption
column is supplied to the spark ignition engine by biogas/gasoline conversion kit. The kit is
developed on the basis of GA5 LPG/gasoline conversion kit of motorcycles by adding the
supplementary regulator. Thanks to the system, the engine can be stabilized at any load
regime of the generator.
1. GIỚI THIỆU
Trong những năm gần đây, người dân ở nông thôn nước ta đã bắt đầu quen dần với
việc sử dụng biogas làm chất đốt. Các hầm biogas này một mặt, cung cấp chất đốt cho người
dân và mặt khác, giúp người dân xử lý các chất thải từ chăn nuôi và các hoạt động sản xuất
khác, góp phần bảo vệ tài nguyên và môi trường. Tuy nhiên việc sử dụng biogas để đun nấu
chỉ mới đáp ứng được một phần tiện ích vì người dân cần nhiều năng lượng hơn để chạy các
máy công tác phục vụ sản xuất. Vì vậy việc sử dụng biogas để chạy động cơ đốt trong cỡ nhỏ
sẽ góp phần đáng kể vào việc cải thiện đời sống của người dân ở nông thôn.
Biogas chứa phần lớn methane (50-75%), ngoài ra còn có CO2 (25-50%), H2 (0-1%),
H2O (0-1%) và H2S (0-3%). Trong các thành phần
trên, H2S dù chỉ chiếm một tỉ lệ rất nhỏ, nhưng là khí
có hại nhất. Khi sử dụng để nấu bếp, H2S gây ăn mòn
các ống dẫn, bếp nấu, và làm cho biogas có mùi hôi
khó chịu. H2S khi cháy tạo thành SO2 cũng là khí độc
hại đối với sức khỏe con người. Khi sử dụng cho
động cơ, H2S gây ăn mòn các chi tiết của đường ống a. b.
Hình 1: Phoi sắt trước khi bị oxy hóa
nạp-thải và buồng cháy, làm giảm tuổi thọ của động
(a) và sau khi bị oxy hóa (b)
- cơ. Khí CO2 tuy không gây ăn mòn như H2S, nhưng sự hiện diện của nó với hàm lượng lớn
làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu. Thành phần hơi nước cũng gây ảnh hưởng tương tự như
CO2.
Trong các công trình trước đây chúng tôi đã tinh luyện khí biogas để chạy thử nghiệm
trên động cơ xe gắn máy [4], [5]. Bài báo này trình bày một hệ thống cung cấp nhiên liệu
biogas hoàn chỉnh cho động cơ tĩnh tại kéo máy phát điện cỡ nhỏ có công suất 2HP bao gồm
hệ thống lọc biogas đơn giản, bộ tạo hỗn hợp nhiên liệu khí và bộ điều tốc phụ kiểu điện từ.
2. HỆ THỐNG LỌC BIOGAS
2.1. Thiết bị tách H2S
Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng phoi sắt để tách H2S [1], [3]. Chất này được
EPA (Cục bảo vệ môi trường Mỹ) chứng nhận không gây ô nhiễm
nguồn nước ngầm và có thể thải trực tiếp ra các bãi rác [2]. Trước
khi sử dụng, phoi sắt được oxy hóa để tạo thành một lớp oxyt sắt
trên bề mặt. Quá trình này có thể thực hiện một cách tự nhiên bằng
cách phơi phoi sắt ngoài không khí một thời gian hoặc đốt để tăng
tốc độ oxy hóa. Phản ứng oxy hóa phoi sắt diễn ra như sau:
Fe + 1/2 O2 FeO
2Fe + 3/2O2 Fe2O3
3Fe + 2O2 Fe3O4
Oxyt sắt tạo thành là hỗn hợp của các oxyt FeO, Fe2O3, Fe3O4.
Các phản ứng trên có thể được xúc tiến nhanh hơn bằng cách tưới
nước trên phoi sắt. Quá trình oxy hóa sắt đạt yêu cầu khi bề mặt
phoi sắt chuyển từ màu xám sang màu vàng xốp, hoặc đỏ xốp Hình 2: Thiết bị tách H2S
(hình 1).
Khi khí biogas đi qua thiết bị lọc chứa oxyt sắt, H2S
được tách ra theo các phản ứng sau: Ống φ23
Fe2O3 + 3H2S Fe2S3 + 3H2O
Lối ra của biogas
Lối vào
Fe3O4 + 4H2S FeS+Fe2S3 + 4H2O Ống φ60
của nước
FeO + H2S FeS + H2O
Đệm
Khả năng tách H2S của thiết bị giảm dần theo thời
gian. Sau 1 tuần sử dụng đầu tiên (trung bình 4 giờ/ngày),
khả năng khử của thiết bị đạt trên 99,4%. Sau 1 tháng sử Thân φ114
2500
dụng, hiệu suất của thiết bị vẫn còn đạt trên 98%. Khi hiệu
suất của thiết bị giảm thấp, chúng ta có thể tái sinh lõi lọc Đĩa đục lỗ
bằng cách phơi phoi sắt ngoài không khí. Phản ứng tái sinh Lối vào của biogaz
diễn ra như sau:
150
Fe2S3 + O2 Fe2O3 + 3S Ống φ60
FeS + O2 FeO + S
Ống φ42
Phản ứng trên là phản ứng tỏa nhiệt, có thể tự xảy ra
trong điều kiện nhiệt độ môi trường. Để gia tốc quá trình tái Lối ra
của nước
sinh, chúng ta có thể đốt phoi sắt đã sử dụng trong 15 phút.
Hình 3: Tháp tách CO2
Tuy nhiên quá trình này tạo ra chất khí ô nhiễm SO2:
Fe2S3 + 9/2O2 Fe2O3 + 3SO2
FeS + 3/2O2 FeO + SO2
- Phoi sắt có thể được tái sử dụng từ 3-5 lần.
Phoi sắt sau khi đốt được trộn với vỏ bào cưa với tỉ lệ 1:1 về thể tích, sau đó được cho
vào thiết bị lọc (hình 2). Với lưu lượng biogas là 0,86 m3/h, khối lượng phoi sắt sử dụng là 8kg
để lắp đầy một thiết bị bằng PVC có chiều cao 1,5m, đường kính ngoài 200mm. Tổn thất áp
suất trung bình khi qua thiết bị tách H2S là 0,3mbar.
Thiết bị như trên đã được sử dụng để lọc khí H2S cho nguồn khí biogas tại Trung tâm
bảo trợ xã hội, Đà Sơn, Hòa Khánh Nam, Đà Nẵng. Kết quả phân tích khí trước và sau khi đi
qua lọc cho ở bảng 1. Chúng ta thấy hiệu suất lọc đạt khá cao (trên 99%).
2.2. Tháp tách CO2
Việc tách CO2 ra khỏi biogas được thực hiện dựa vào tính
chất hấp thụ khí carbonic của nước. Nguyên lý của phương pháp
này là cho khí tiếp xúc ngược chiều với nước trong đó, khí đi từ
dưới lên, còn nước chảy từ trên xuống. Để tăng cường sự tiếp xúc
của khí và nước, nhóm đã sử dụng các vật liệu trơ như gỗ, đá, gạch
để làm đệm. Để cố định lớp đệm trong bên trong tháp, nhóm đã sử
dụng một đĩa đục lỗ bằng mica, đặt ở phần dưới của tháp. Với kích
thước tháp tách CO2 như hình 3, lưu lượng biogas là 0,86 m3/h,
thành phần CO2 ở đầu vào tháp là 36,47%, thành phần CO2 ở đầu
ra của tháp là 19,22%, chúng ta đạt được hiệu quả xử lý CO2 là
47,30%. Tổn thất áp suất khi đi qua thiết bị hấp thụ CO2 là 5mbar.
Bảng 1: Hiệu quả lọc H2S
Sau 1 giờ sử dụng Sau 20 giờ sử dụng
Hình 4: Toàn cảnh thiết bị
Trước xử
Trước xử lọc biogas tại Trung tâm
Sau xử lý
Sau xử lý
lý
lý bảo trợ xã hội Đà Sơn
Hàm lượng
0,17 0,0005 0,20 0,001
H2S (mg/l)
ppm thể tích 112 0,33 132 0,66
3. HỆ THỐNG CUNG CẤP KHÍ BIOGAS CHO
ĐỘNG CƠ KÉO MÁY PHÁT ĐIỆN
Khí biogas sau khi qua hệ thống lọc H2S và CO2
trên đây có đủ tiêu chuẩn để làm nhiên liệu cho động cơ
đốt trong. Trong nghiên cứu này, khí biogas sau khi qua
lọc được dùng để cung cấp điện cho động cơ 2 mã lực
kéo máy phát điện. Yêu cầu cơ bản của hệ thống cung
cấp nhiên liệu trong trường hợp này là phải đảm bảo dòng
điện phát ra có tần số không thay đổi (50Hz) ở bất kỳ chế
độ tải nào của máy phát. Khi tải cản bên ngoài ít dao Bộ phụ kiện
động, về nguyên lý chúng ta có thể dùng bộ phụ kiện GA5
chuyển đổi nhiên liệu LPG/xăng GA5 [6], [7] để cung
Hình 5: Cụm động cơ-máy phát
cấp nhiên liệu biogas cho động cơ tĩnh tại. Kết quả thử
điện 4HP chạy bằng biogas với
nghiệm lắp đặt bộ phụ kiện GA5 trên động cơ kéo máy
bộ phụ kiện GA5 [8]
phát điện 4HP chạy bằng biogas (hình 5) cho thấy hệ
- thống làm việc tốt khi tải bên ngài không thay đổi [8]. Khi tăng tải đột ngột (như khi khởi
động động cơ máy bơm nước chẳng hạn) thì động cơ đốt trong bị lịm máy và tắt. Điều này dễ
hiểu vì khi tăng tải đột ngột, tốc độ động cơ giảm, mặt dù bộ điều tốc nguyên thủy của động cơ
mở rộng bướm ga nhưng do độ chân không tại họng bé, không đủ sức mở van công suất, kết
quả là động cơ chết máy do hỗn hợp quá nghèo.
Để hoàn thiện hệ thống cung cấp khí biogas cho động cơ tĩnh tại, trong nghiên cứu này,
chúng tôi bổ sung thêm bộ điều tốc phụ vào bộ phụ kiện GA5. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống
tạo hỗn hợp cho động cơ đốt trong kéo máy phát điện chạy bằng khí biogas được giới thiệu
trên hình 6. Hệ thống gồm van công suất 1 với vòi phun chính 3 đặt tại họng bộ chế hòa khí;
Van không tải 11 với vòi ziclơ không tải 10 nối thông với lỗ cấp khí 6 đặt sau bướm ga; Van
làm đậm kiểu điện từ 12 với ziclơ làm đậm 9 mắc song song với cụm 11, 10; Mạch điều khiển
van điện từ 14 được cung cấp điện một chiều 12 volts thông qua các cực 13 và nhận tín hiệu từ
máy phát điện thông qua đầu nối 15. Hệ thống cung cấp nhiên liệu xăng nguyên thủy của động
cơ không thay đổi gồm bộ chế hòa khí 7, khóa xăng 8, bướm gió khởi động 2, bướm ga 5 được
điều khiển bởi bộ điều tốc thông qua cánh tay đòn 4. Nguyên lý hoạt động của hệ thống được
mô tả tóm tắt như sau:
- Khi động cơ chạy bằng xăng, khóa ga cung cấp cho hệ thống ở vị trí đóng, khóa xăng
mở, động cơ hoạt động bình thường như trước khi cải tạo.
- Khi chạy bằng biogas, khóa xăng đóng, khóa ga mở, khí biogas sau khi qua lọc được
đưa vào hệ thống ở đầu ống 16.
- Khi động cơ khởi động động cơ, van điện từ 12 ở vị trí đóng, độ chân không phía sau
bướm ga lớn mở van không tải thông qua ziclơ không tải 10 cung cấp cho động cơ một
lượng ga tối thiểu đảm bảo cho động cơ làm việc ổn định ở chế độ không tải.
- Khi tăng tải từ từ, bộ điều tốc động cơ thông qua tay đòn 4, mở rộng dần bướm ga 5,
lượng không khí vào động cơ tăng dần, độ chân không tại họng tăng, thông qua vòi
phun chính 3 mở van công suất 1 cung cấp một lượng biogas đủ lớn để mô men động
cơ phát ra cân bằng với mô men cản.
5
1 2 4
3
16
15
Không
14 khí
13 Hỗn
hợp
12
11 10 8 7 6
9
Hình 6: Sơ đồ nguyên lý hệ thống tạo hỗn hợp cho động cơ đốt
trong kéo máy phát điện chạy bằng biogas
- - Khi tăng tải đột ngột, tốc độ động cơ bị giảm tức thời khiến độ chân không tại họng bộ
chế hòa khí bị tụt, không đủ sức để mở lớn van công suất làm động cơ bị lịm dẫn đến
chết máy. Để khắc phục hiện tượng này, nhóm nghiên cứu sử dụng bộ điều tốc phụ
gồm van điện từ 12 với mạch điều khiển 14 và ziclơ làm đậm 9 để cung cấp một lượng
biogas phụ đảm bảo cho động cơ phát mô men động đủ lớn để thắng sự gia tăng đột
ngột của mô men cản. Nguyên lý làm việc của bộ điều tốc phụ như sau. Khi tăng mô
men cản đột ngột, điện áp máy phát tụt xuống dưới 200volts. Tín hiệu điện áp được
đưa vào mạch điều khiển 14 làm phát sinh một xung điều khiển cung cấp cho cuộn dây
của van điện từ 12: van mở một lượng ga phụ qua ziclơ 9 cung cấp vào họng bộ chế
hòa khí, duy trì chế độ tốc độ ổn định của động cơ. Khi điện áp máy phát tăng trên
200volts, van điện từ đóng, chế độ công tác của động cơ được khống chế bởi bộ điều
tốc chính. Điện áp tác động của bộ điều tốc phụ có thể điều chỉnh nhờ biến trở của
mạch điện 14.
Ảnh chụp của hệ thống điều tốc phụ kiểu điện từ sử dụng trong thí nghiệm được giới
thiệu trên hình 7. Cụm máy phát điện có công suất cực đại 1,5kW, công suất định mức 0,8kW.
Trong thí nghiệm này, máy phát cấp điện cho tải ngoài gồm 10 bóng đèn, công suất mỗi bóng
là 100W (hình 8). Thí nghiệm được tiến hành ứng với hai trường hợp thay đổi tải bên ngoài.
Trường hợp thứ nhất, tải bên ngoài thay đổi từ từ, khi đó các bóng đèn được bật sáng lần lượt.
Thí nghiệm cho thấy trong trường hợp này, nếu cô lập bộ điều tốc phụ, động cơ vẫn hoạt động
bình thường nhờ van công suất, van không tải và bộ điều tốc chính của động cơ. Trường hợp
thứ hai, tải bên ngoài thay đổi đột ngột. Trong trường hợp này, mỗi lần chúng ta bật sáng 5
bóng đèn. Thí nghiệm cho thấy nếu không có bộ điều tốc phụ, động cơ chết máy.
Kết quả nghiên cứu này cho thấy bộ điều tốc phụ không thể thiếu trong hệ thống cung
cấp khí biogas cho động cơ kéo máy phát điện.
Hình 7: Bộ điều tốc phụ kiểu điện từ Hình 8: Thử tải máy phát điện 2HP
chạy bằng biogas với bộ điều tốc phụ
- 4. KẾT LUẬN
4.1. Để sử dụng làm nhiên liệu cung cấp cho động cơ đốt trong, khí biogas có thể được
tinh luyện bằng cách dùng phoi sắt để khử khí H2S (đạt hiệu suất 99%) và dùng nước
để hấp thụ khí CO2 (đạt hiệu suất khoảng 50%). Phương pháp tinh luyện này đơn giản,
rẻ tiền có khả năng ứng dụng rộng rãi trong điều kiện nông thôn Việt Nam.
4.2. Để đảm bảo cho động cơ kéo máy phát điện chạy bằng biogas làm việc ổn định ở
các chế độ tải khác nhau chúng ta cần bổ sung thêm bộ điều tốc phụ vào bộ phụ kiện
chuyển đổi nhiên liệu LPG/xăng GA5 sử dụng trên xe gắn máy.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Hydrogen sulfide removal from anaerobic digester gas. Agricultural Wastes, Volume
11, Issue 3, 1984, Pages 167-179.
[2] Biogas Utilization Handbook, published by the Environment, Health and Safety
Division, Georgia Tech Research Institute, Atlanta, Georgia, 1988.
[3] http://www.connellygpm.com/ironsponge.html
[4] BUI VAN GA, NGO VAN LANH, NGO KIM PHUNG, VENET CEDERIC: Thử
nghiệm khí biogas trên động cơ xe gắn máy. Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học
Đà Nẵng, số 1(18), pp. 1-5, 2007.
[5] BUI VAN GA, NGO VAN LANH, NGO KIM PHUNG: Tinh luyện khí biogas để chạy
động cơ đốt trong. Khoa học và Phát triển, Đà Nẵng 4-2007.
[6] BUI VAN GA, TRAN VAN NAM: Combustion of LPG-Air Lean Mixture: A solution
for pollution reduction of motorcycles in Vietnam. The 6th General Seminar of the Core
University Program “Environmental Science and Technology for sustainability of
Asia, Kumamoto, Japan, 2-4 October 2006, pp. 361-367.
[7] BUI VAN GA: Bằng độ quyền sáng chế số 5940 “Bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu
LPG/xăng cho xe gắn máy”. Cục Sở hữu trí tuệ, 2006.
[8] NHAN HONG QUANG: Sử dụng biogas để chạy động cơ đốt trong. Đề tài số
206/06TLĐ, Phân viện Bảo hộ lao động và Bảo vệ môi trường Miền Trung-Tây
Nguyên, 2007.
Thêm vào BST
Báo xấu
Download
Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ
