- 1 -
MỞ ĐẦU
Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu khí cho ĐCĐT, trong đó có nghiên cứu
syngas được sản xuất từ sinh khối ứng dụng cho động cơ diesel máy phát
điện cỡ nhỏ, mục đích là tìm ra các nguồn năng lượng sạch, rẻ, dồi dào để
thay thế cho nguồn nhiên liệu hóa thạch, tuy nhiên vấn đề này ở Việt Nam
chưa được quan tâm đúng mức. Sinh khối là nguồn nguyên liệu từ các phụ
phẩm nông nghiệp hay từ các hoạt động sản xuất lâm nghiệp, để tận dụng
được các nguồn sinh khối này NCS đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu sử
dụng khí tổng hợp từ sinh khối cho động cơ diesel phát điện cỡ nhỏ” kết
hợp với đề tài nghị định thư Việt Nam-Thái Lan (2014) “Nghiên cứu, thiết
kế, chế tạo và vận hành thử nghiệm hệ thống khí hóa sinh khối cung cấp
năng lượng quy mô nhỏ phù hợp với điều kiện Việt Nam”. Đề tài được
thực hiện trên cơ sở phối hợp gi a Viện tiên tiến Khoa học và Công nghệ
với Viện Cơ khí động lực, Trư ng Đại học ách khoa Hà Nội hướng tới
góp ph n giải quyết các vấn đề thực tiễn là phát triển nguồn nhiên liệu
anh, sạch để giảm thiểu nhiễm m i trư ng và đ c iệt là giảm tải cho
lưới điện quốc gia trong gi cao điểm góp ph n n định sản uất và sinh
hoạt cho ngư i dân
i. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
*) Mục đích nghiên cứu
Đánh giá khả năng sử dụng syngas thay thế diesel truyền thống dùng
cho động cơ diesel - máy phát điện, đồng th i đánh giá ảnh hưởng của việc
sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/syngas đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và
phát thải của động cơ
*) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Động cơ Mitsubishi S3L2, đây là động cơ diesel 3 xy lanh, 4 kỳ không
tăng áp đang được sử dụng ph biến dẫn động máy phát điện.
Nhiên liệu thử nghiệm gồm diesel và syngas Trong đó syngas được
sản xuất từ các nguồn sinh khối khác nhau và cấp liên tục cho động cơ
Trong quá trình thử nghiệm thành ph n syngas liên tục được kiểm soát.
Nghiên cứu mô phỏng quá trình cấp syngas, hình thành hỗn hợp và
cháy của động cơ diesel - máy phát điện sử dụng lưỡng nhiên liệu
diesel/syngas với lưu lượng syngas khác nhau và được sản xuất từ các
nguồn sinh khối khác nhau.
Ph n thực nghiệm thực hiện nghiên cứu ảnh hưởng của lưỡng nhiên
liệu diesel/syngas với lưu lượng khác nhau đến đ c tính kinh tế, kỹ thuật và
phát thải của động cơ diesel - máy phát điện hoạt động ở các chế độ tải
khác nhau. Trong đó lượng syngas được cấp trực tiếp và liên tục vào đư ng
nạp của động cơ từ hệ thống khí hóa sinh khối.
ii. Phƣơng pháp nghiên cứu
- 2 -
Phương pháp nghiên cứu trên cơ sở kết hợp gi a lý thuyết và thực
nghiệm, trong đó nghiên cứu lý thuyết được tiến hành trên các c ng cụ m
phỏng chuyên sâu, gồm CFD Fluent và AVL-Boost Còn nghiên cứu thực
nghiệm được tiến hành trong PTN Hệ thống Năng lượng nhiệt với sự hỗ trợ
các thiết ị đo hiện đại và đồng ộ của PTNĐCĐT, Trư ng ĐH K Hà Nội
iii. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Đã thực hiện thành c ng nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của việc sử
dụng lưỡng nhiên liệu diesel/syngas cho động cơ diesel - máy phát điện đến
tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ
Khi áp dụng kết quả luận án vào thực tế sẽ góp ph n giải quyết vấn đề
cấp thiết hiện nay về nguồn nhiên liệu thay thế, giảm sự phụ thuộc vào
nguồn nhiên liệu truyền thống, khai thác sử dụng hiệu quả nguồn sinh khối
dồi dào có từ phế thải trong ngành n ng lâm nghiệp, cũng như góp ph n
giải quyết ph n nào sự thiếu hụt nguồn điện tại các vùng sâu, vùng a nhất
là nh ng vùng thiếu nguồn điện lưới quốc gia
Luận án là tài liệu tham khảo h u ích trong nghiên cứu sử dụng
syngas và đào tạo chuyên sâu về ngành động cơ đốt trong
iv. Tính mới của Luận án
Syngas là nguồn nhiên liệu thay thế dùng cho động cơ đốt trong có
nhiều tiềm năng Hiện nay, Việt Nam nguồn nguyên liệu sản uất syngas từ
phế phẩm n ng lâm nghiệp rất dồi dào Việc sử dụng syngas thay thế nhiên
liệu ăng và diesel truyền thống sẽ góp ph n tận dụng nguồn phụ phế phẩm
trong n ng, lâm nghiệp cũng như giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu có
nguồn gốc hóa thạch và góp ph n giảm phát thải độc hại
Đã sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp gi a m phỏng và thực
nghiệm để đánh giá khả năng và mức độ ảnh hưởng của tỷ lệ và thành ph n
syngas thay thế, góc phun sớm, áp suất phun nhiên liệu diesel đến tính năng
kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel dẫn động máy phát điện cỡ
nhỏ
v. Các nội dung chính trong đề tài
Để thực hiện các nội dung nghiên cứu, luận án được trình bày gồm các
ph n như sau:
Mở đ u
Chương 1. T ng quan
Chương 2. Hình thành hỗn hợp và cháy trong động cơ lưỡng nhiên
liệu diesel/syngas
Chương 3. Mô phỏng cung cấp syngas và chu trình nhiệt động của
động cơ Mitsu ishi S3L2 sử dụng diesel/syngas
Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá
Kết luận chung và phương hướng phát triển
- 3 -
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về nhiên liệu sinh học
1.1.1. Giới thiệu chung về nhiên liệu sinh học
1.1.2. Chiến lược phát triển sử dụng NLSH ở Việt Nam
1.2. Khái quát chung, ƣu, nhƣợc điểm của syngas
1.2.1. Khái quát chung về syngas
Syngas là một hỗn hợp khí thành ph n của nhiên liệu bao gồm CO, H2
và CH4, ngoài ra còn có CO2, hơi nước, N2 và hydro cácbon cao phân tử
(tar) Syngas dùng để sản xuất amoniac và methanol ho c được biến đ i
qua chu trình Fischer-Tropsch để sản xuất các loại nhiên liệu t ng hợp.
Syngas rất dễ cháy nên có thể sử dụng như một loại nhiên liệu thay thế cho
ĐCĐT
1.2.2. Tính chất lý hóa của syngas
Tính chất vật lý và hóa học của syngas phụ thuộc vào nguồn nguyên
liệu sản xuất, công nghệ sản xuất và đ c biệt là thành ph n các khí đơn chất
cấu tạo nên. Bảng 1.1 thể hiện tính chất lý hóa của các khí thành ph n
chính của syngas:
Bảng 1.1. Tính chất lý hóa của H2 , CO và CH4
TT
Thông số
H2
CO
CH4
1
Nhiệt trị thấp ( MJ/kg)
121
10,2
50,2
2
Tỷ lệ không khí-nhiên liệu lý thuyết
34,4
2,46
17,2
3
Nhiệt độ cháy lớn nhất tại 1 atm (K)
2378
2384
2223
4
Giới hạn bốc cháy (nhạt/đậm)
0,01/7,17
0,54/1,69
5
Tốc độ lan tràn màng lửa (cm/giây)
270
45
35
1.2.3. Ưu, nhược điểm của syngas
1.3. Tổng quan tình hình nghiên cứu sản xuất syngas từ sinh khối
1.3.1. Nghiên cứu sản xuất syngas trên thế giới
1.3.2. Nghiên cứu sản xuất syngas tại Việt Nam
Đã có nh ng đề tài dự án, hội thảo liên quan đến nghiên cứu phát triển
năng lượng sinh khối được triển khai ở các Viện nghiên cứu và các Trư ng
đại học như được ch ra dưới đây:
- Phạm Hoàng Lương và các đồng nghiệp, Trư ng ĐHBK Hà Nội thực
hiện. Báo cáo t ng hợp nghiên cứu thiết kế, chế tạo và vận hành thực
nghiệm hệ thống khí hóa sinh khối cung cấp năng lượng quy mô nhỏ
phù hợp điều kiện Việt Nam Đề tài nghị định thư Việt Nam - Thái
Lan, 5/2014;
- Nghiên cứu thực trạng sử dụng sinh khối ở Việt Nam do Viện năng
lượng thực hiện;
- Viện Công nghệ sau thu hoạch, sử dụng thiết bị khí hóa trấu. Khí sản
- 4 -
phẩm (producer gas) dùng để đốt cấp nhiệt quy mô nhỏ.
Lựa chọn sinh khối để sản xuất syngas
Nhìn chung, nguồn sinh khối của Việt Nam có tr lượng khá lớn như
viên nén mùn cưa, trấu, rơm, gỗ mẩu, dăm mảnh cây keo, vỏ cà phê, vỏ hạt
điều, than hoa. Với mục tiêu là lựa chọn sinh khối phù hợp để sản xuất
syngas và sử dụng cho bếp đun, hệ thống sấy, cho ĐCĐT…
Giải pháp từ 3 loại sinh khối là than hoa, gỗ mẩu và mùn cưa được lựa
chọn để sản xuất syngas phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam; nghiên
cứu phân tích, đánh giá syngas để ác định được sinh khối phù hợp với các
mục tiêu chính như sau: tính n định về lưu lượng trong quá trình sản xuất,
các thành ph n khí có trong syngas ở các mẫu phân tích đều có tính tương
đồng và đ c biệt có hàm lượng tar thấp Qua đánh giá thực tế cho thấy
syngas được sản xuất từ sinh khối than hoa đã đảm bảo được các yêu c u,
nên nó có thể sử dụng cho ĐCĐT hay ứng dụng vào các nghiên cứu khác.
1.4. Tình hình nghiên cứu sử dụng syngas cho ĐCĐT
1.4.1. Trên thế giới
Xu hướng sử dụng ĐCĐT từ trước đến nay rất đa dạng, nó không
nh ng sử dụng cho các phương tiện giao th ng đư ng bộ, đư ng không,
đư ng thủy mà còn sử dụng trên máy phát điện và máy nông nghiệp. Sự gia
tăng nhanh chóng số lượng các phương tiện vận tải và các thiết bị động lực
sử dụng ĐCĐT chạy bằng nhiên liệu ăng và diesel đang gây nhiễm môi
trư ng tr m trọng và gây nguy cơ cạn kiệt nguồn nhiên liệu này. Chính vì
vậy các vấn đề như giảm tiêu hao nhiên liệu và thành ph n phát thải độc hại
của ĐCĐT lu n là nh ng thách thức lớn đối với ngành công nghiệp động
cơ Cùng với sự phát triển và thành công của các ngành khoa học khác,
ngành công nghiệp t nói riêng và ngành ĐCĐT nói chung trong th i gian
qua đã đạt được nh ng thành c ng đáng kể trong việc phát triển, ứng dụng
các nguồn nhiên liệu thay thế mới và thân thiện với m i trư ng trong đó
phải kể đến nhiên liệu syngas.
1.4.1.1. Sử dụng syngas cho động cơ xăng
1.4.1.2. Sử dụng syngas cho động cơ diesel
1.4.2. Tại Việt Nam
Tại Việt Nam, giai đoạn 1980÷1984 có nghiên cứu sử dụng syngas
cho động cơ ăng trên e Ô t GAZ51 ên cạnh đó cũng có một số nghiên
cứu sử dụng syngas trên tàu đánh cá của ngư dân vùng iển Vũng Tàu và
trên xe chở khách tuyến Tp. Gia Lai - Tp. Hồ Chí Minh nhưng các th ng
tin cụ thể về các nghiên cứu này thì vẫn chưa có được nguồn trích dẫn
chính xác.
Đề tài nghiên cứu của Vy H u Thành, Trư ng HVKT Quân sự,
“Nghiên cứu về việc sử dụng khí hóa từ than hoa và than đá dùng cho động
- 5 -
cơ t ” Nội dung của đề tài là sản xuất syngas từ 2 mẫu sinh khối là 100%
than đá, 100% than hoa, kết hợp gi a than đá và than hoa Quá trình sản
xuất và sử dụng syngas được thực hiện trực tiếp trên xe Ô tô GAZ51,
syngas được cung cấp vào đư ng nạp của động cơ, sau khi đạt được các
chế độ làm việc n định của động cơ cũng như sự n định của hệ thống sản
xuất syngas. Kết quả của đề tài đã đánh giá được khả năng thay thế nhiên
liệu ăng khi chạy với syngas được sản xuất từ than hoa thì công suất động
cơ đạt được khoảng 70÷75%, còn với syngas được sản xuất từ than đá thì
công suất của động cơ đạt được khoảng từ 80÷85%. Các kết quả này theo
tác giả cũng ch mang tính định tính bởi vì th i gian đó đất nước còn khó
khăn nên chưa có các trang thiết bị đo về công suất, đánh giá phát thải.
1.5. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Việt Nam có nguồn nguyên liệu sinh khối dồi dào. Khả năng sử dụng
các nguồn sinh khối này còn chưa hợp lí, gây lãng phí mà nhu c u năng
lượng sử dụng hiện nay lại đang ị thiếu hụt đ c biệt là nh ng vùng sâu,
vùng a
Qua phân tích và đánh giá ở trên cho thấy syngas đã đáp ứng được
nguồn cung, nó có đ c tính cháy và khả năng sử dụng làm nhiên liệu thay
thế cho ĐCĐT Vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng một cách hiệu quả nhiên
liệu này cho ĐCĐT mang tính thực tiễn và khoa học cao, do vậy tác giả đã
chọn đề tài này cho chương trình NCS của mình.
1.6. Kết luận chƣơng 1
Kết quả nghiên cứu t ng quan về sản xuất syngas và tình hình sử dụng
syngas cho ĐCĐT cho phép rút ra được nh ng kết luận như sau:
- Syngas có thể sử dụng làm nguồn nhiên liệu thay thế nhiên liệu
truyền thống diesel và ăng cho ĐCĐT, với mục tiêu giảm sự phụ thuộc
nguồn nhiên liệu hóa thạch, hạn chế phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà
kính, bảo vệ m i trư ng trong sản xuất và sinh hoạt.
- Trên thế giới sản xuất và sử dụng syngas được quan tâm, phát triển
từ thế k 18. Phát triển công nghệ sản xuất syngas và nâng cao sử dụng
được em như là giải pháp h u hiệu nhất trong việc sử dụng nguồn năng
lượng sinh khối, bởi cho đến nay công nghệ này có thể giải quyết khá tốt
các bài toán kinh tế và bảo vệ m i trư ng.
- Việt Nam có nguồn nguyên liệu sinh khối dồi dào, hiện nay đã có
một số công trình nghiên cứu sản xuất syngas để tận dụng năng lượng này.
Tuy nhiên việc sử dụng nguồn năng lượng này vẫn chưa hợp lý, thư ng sử
dụng ở dạng nhiệt, trong khi đó nghiên cứu sử dụng cho ĐCĐT vẫn còn ít
công trình.
- C n phải có các nghiên cứu đ y đủ về việc sử dụng syngas thay thế
cho nhiên liệu diesel truyền thống để nâng cao hiệu quả sử dụng syngas.