Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu nâng cao hiệu quả bộ xúc tác tạo khí giàu hydro trên động cơ xăng

Chia sẻ: Tỉ Thành | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:137

Thêm vào BST

Báo xấu

25
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu luận án nghiên cứu nâng cao hiệu quả bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô trên động cơ xăng nhằm: Làm chủ công nghệ nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ xúc tác tạo khí hyđrô trực tiếp trên động cơ. Tìm ra vật liệu xúc tác mới cải thiện hiệu quả chuyển hóa của bộ xúc ở nhiệt độ phản ứng thấp 550oC phù hợp với nhiệt độ khí thải động cơ. Bộ xúc tác mới có hiệu suất chuyển hóa cao hơn so với bộ xúc tác cũ ở nhiệt độ phản ứng thấp.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu nâng cao hiệu quả bộ xúc tác tạo khí giàu hydro trên động cơ xăng

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do tôi thực hiện. Luận án có sử dụng một phần kết quả do tôi và nhóm nghiên cứu thực hiện trong Đề tài cấp nhà nước “Nghiên cứu phát triển công nghệ tạo khí giàu hyđrô để bổ sung cho động cơ xăng nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm phát thải cho động cơ” mã số KC.05.24/11-15 do GS Lê Anh Tuấn là chủ nhiệm đề tài và tổ chức chủ trì là Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Tôi đã được chủ nhiệm đề tài đồng ý cho sử dụng một phần kết quả của đề tài cấp nhà nước vào việc viết luận án. Tôi xin cam đoan các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác. Hà Nội, tháng …..năm 2019 Tập thể giáo viên hướng dẫn Nghiên cứu sinh GS Phạm Minh Tuấn TS. Nguyễn Thế Lương Trần Văn Hoàng -i-
LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Sau đại học, Viện Cơ khí Động lực, Bộ môn Động cơ đốt trong, Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong đã cho phép và giúp đỡ tôi thực hiện luận án trong thời gian học tập, nghiên cứu tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS Lê Anh Tuấn đã cho phép tôi sử dụng một phần kết quả của đề tài để hoàn thành luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Phạm Minh Tuấn và TS Nguyễn Thế Lương đã chu đáo tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi thực hiện và hoàn thành luận án. Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những nguời đã luôn động viên và khuyến khích tôi trong suốt thời gian học tập tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Nghiên cứu sinh Trần Văn Hoàng - ii -
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... ii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ..........................................................vi DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ...............................................................................ix DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................xiv LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................1 i. Xuất xứ đề tài .........................................................................................................1 ii. Mục tiêu nghiên cứu ..............................................................................................1 iii. Phạm vi nghiên cứu ..............................................................................................2 iv. Phƣơng pháp nghiên cứu .....................................................................................2 v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.............................................................2 vi. Bố cục của luận án ................................................................................................3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NÂNG CAO HIỆU QUẢ BỘ XÚC TÁC TẠO KHÍ GIÀU HYĐRÔ ......................................................................................................4 1.1. Tổng quan về nhiên liệu khí giàu hyđrô ...........................................................4 1.1.1. Tính chất nhiên liệu khí giàu hyđrô ...............................................................4 1.1.2. Các phương pháp tạo khí giàu hyđrô.............................................................9 1.1.2.1. Phản ứng nhiệt hóa nhiên liệu hyđrô carbon với hơi nước ........................9 1.1.2.2. Phản ứng ôxy hóa nhiên liệu không hoàn toàn ........................................10 1.1.2.3. Phản ứng nhiệt hóa hyđrô carbon với khí carbonic ..................................11 1.2. Tình hình nghiên cứu sử dụng khí giàu hyđrô trên thế giới và Việt Nam ..11 1.2.1. Các nghiên cứu sử dụng khí giàu hyđrô trên thế giới .................................11 1.2.2. Các nghiên cứu sử dụng khí giàu hyđrô ở Việt Nam ..................................14 1.3. Nghiên cứu nâng cao hiệu quả bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô......................15 1.3.1. Hiện trạng bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô ....................................................15 1.3.2. Nghiên cứu nâng cao hiệu quả bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô trên thế giới 17 1.3.3. Các nghiên cứu nâng cao bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô tại Việt Nam .......23 1.3.4. Giải pháp áp dụng hiện nay .........................................................................23 1.3.5. Cách tiếp cận vấn đề của đề tài ...................................................................24 1.4. Kết luận chƣơng 1.............................................................................................24 CHƢƠNG 2 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN HỆ XÚC TÁC MỚI NHẰM TĂNG HIỆU QUẢ TẠO KHÍ GIÀU HYĐRÔ .....................................................................26 - iii -
2.1. Cơ sở lý thuyết về các phản ứng xúc tác tạo khí giàu hyđrô từ nhiên liệu .26 2.1.1. Cơ chế của phản ứng xúc tác .......................................................................26 2.1.2. Cơ chế của các phản ứng xúc tác trong bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô .......29 2.2. Điều chế xúc tác ................................................................................................ 36 2.2.1. Các phương pháp tẩm trên chất mang .........................................................37 2.2.2. Điều chế vật liệu xúc tác .............................................................................38 2.3. Đặc tính cấu trúc, hình dạng bề mặt và đánh giá hiệu quả xúc tác .............40 ện tích bề mặt của vật liệu xúc tác ............................................41 ủa các mẫu xúc tác ..........................................41 ......................................................44 2.3.4. Đánh giá hiệu suất tạo khí giàu hyđrô .........................................................46 2.4. Kết luận chƣơng 2.............................................................................................56 CHƢƠNG 3 NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG TẠO KHÍ GIÀU HYĐRÔ SỬ DỤNG HỆ XÚC TÁC NI-CU/AL2O3 ....58 3.1. Đối tƣợng nghiên cứu .......................................................................................58 3.2. Tính toán thiết kế hệ thống tạo khí giàu hyđrô trên xe máy ........................58 3.2.1. Tính toán thiết kế hệ thống tạo khí giàu hyđrô sử dụng bộ xúc tác mới Ni- Cu/Al2O3 trên động cơ ...........................................................................................60 3.2.2. Thiết kế bộ xúc tác Ni-Cu/Al2O3 .................................................................72 3.3. Chế tạo và lắp đặt hệ thống tạo khí giàu hyđrô sử dụng bộ xúc tác mới Ni- Cu/Al2O3 ...................................................................................................................83 3.4. Kết luận chƣơng 3.............................................................................................86 CHƢƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ LẮP BỘ XÚC TÁC MỚI NI-CU/AL2O3 ......................................................................................................87 4.1. Phƣơng pháp, nhiên liệu và trang thiết bị thử nghiệm .................................87 4.1.1. Phương pháp thử nghiệm.............................................................................87 4.1.2. Nhiên liệu thử nghiệm .................................................................................88 4.1.3. Trang thiết bị thử nghiệm ............................................................................88 4.2. Kết quả thử nghiệm và so sánh đặc tính kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ khi sử dụng bộ xúc tác mới Ni-Cu/Al2O3 và bộ xúc tác Ni/Al2O3 .........88 4.2.1. Kết quả thử nghiệm và so sánh theo đặc tính tốc độ ...................................92 4.2.2. Kết quả thử nghiệm và so sánh theo vị trí tay ga tại 50 km/h .....................99 4.2.3. Kết quả thử nghiệm sau khi chạy bền 5000 km với bộ xúc tác mới Ni- Cu/Al2O3 ..............................................................................................................101 - iv -
4.3. Kết luận chƣơng 4...........................................................................................106 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ...............................................................107 Kết luận ...................................................................................................................107 Hướng phát triển ....................................................................................................107 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................109 PHỤ LỤC TRANG THIẾT BỊ THỬ NGHIỆM ................................................... PL1 -v-
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Ký Tiếng Anh Diễn giải Đơn vị hiệu/Viết tắt λ Lambda Hệ số dư lượng không khí - Suất tiêu thụ nhiên liệu có ge g/kW.h ích Ne Công suất có ích kW ε Tỷ số nén - Tỷ lệ giữa hơi nước và S/C Steam/carbon - cacbon n Tốc độ động cơ v/ph GTVT Giao thông vận tải - Hệ thống phân tích khí CEBII - thải ppm Part per million Một phần triệu - LPG Liquefied Petroleum Gas Khí hóa lỏng - CNG Compressed Natural Gas Khí thiên nhiên nén - Hydrogen/ Compressed Natural Hỗn hợp nhiên liệu HCNG - Gas hyđrô/CNG Nhiệt hóa nhiên liệu với CR Carbon Reforming - khí carbonic ĐCĐT Động cơ đốt trong - GC Gas Chromatography Bộ sắc kí khí - Oxi hóa không hoàn toàn PO Partial Oxidation nhiên liệu Nhiệt hóa nhiên liệu với SR Stream Reforming - hơi nước GHSV Gas Hourly Space Velocity Vận tốc không gian 1/lít HRG Hydrogen Rich Gas Khí giàu hyđrô Phương pháp đo diện tích BET Brunauer-Emmett-Teller bề mặt SEM Scanning electron microscope Kính hiển vi điện tử - Energy Dispersive Phân tích thành phần hóa EDS - Spectroscopy học của vật rắn nhờ tia X Sử dụng nhiễu xạ tia X để XRD X-Ray Diffraction - phân tích cấu trúc vật liệu - vi -
Phương pháp đánh giá Temperature programe TPR đặc tính khử của vật liệu - reduction theo nhiệt độ ECU Electronic Control Unit Bộ điều khiển điện tử - CD 20” Chassis dynamometer 20’’ - Băng thử xe máy - X-ray Photoelectron Sử dụng tia X để phân XPS - Spectroscopy tích cấu trúc vật liệu MCH Methylcy-clohexane C6H11CH3 - Tỷ lệ hơi nước, ôxy và S/O/C Steam Oxygen Gasoline xăng RON Research Octan Number Trị số ốctan nghiên cứu Tốc độ động học của mol/(g cat s) Rj phản ứng m3·Pa·mol- R Hằng số khí 1 -1 ·K outlet Tổng lưu lượng khí đầu Ftotal ml/ph ra X stoutlet Nồng độ khí mang đầu ra % thể tích inlet Tổng lưu lượng khí đầu Ftotal ml/ph vào Nồng độ khí mang đầu X stinlet % thể tích vào δ Hệ số cản cục bộ A1 Tiết diện ống đầu vào mm2 A2 Tiết diện ống đầu ra mm2 VXL Vi xử lý G Gate Cực điều khiển của moffet MOSFET Metal-Oxide Semiconductor Trường oxit kim loại – Field-Effect Transistor) bán dẫn transistor XCK Chân xung nhịp của vi điều khiển TxD Transmitted Data Chân truyền dữ liệu RxD Received Data Chân nhận dữ liệu PC Máy tính để bàn - vii -
COMx Communication Cổng kết nối số x DBx Jack kết nối của cổng com có số chân x Phát hiện sóng mang dữ DCD liệu RxD Received data Dữ liệu nhận TxD Transmitted data Dữ liệu truyền DTR Data terminal ready DTE sẵn sàng làm việc GND Ground Nối đất (0V) DSR Data set ready DCE sẵn sàng làm việc DTE yêu cầu truyền dữ RTS Request to send liệu DCE sẵn sàng nhận dữ CTS Clear to send liệu RI Ring indicator Báo chuông RS232 Recommended Standard 232 Chuẩn giao tiếp 232 - viii -
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Giới hạn cháy của hyđrô và một số loại nhiên liệu [4] ...................................7 Hình 1.2. Tốc độ ngọn lửa của một số hỗn hợp khí [3] ..................................................8 Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý chung của động cơ sử dụng hồn hợp khí giàu hyđrô dưới tác dụng của chất xúc tác.........................................................................................................................12 Hình 1.4. Hiệu suất chuyển hóa iso ốctan theo vận tốc không gian và tỷ lệ S/C tại 850oC [31]......................................................................................................................16 Hình 1.5. Sản phẩm của hệ xúc tác Mo2C theo vận tốc không gian tại nhiệt độ 850oC[31].......................................................................................................................16 Hình 1.6. Hiệu quả chuyển hóa n-ốctan và tỷ lệ H2 trong sản phẩm khi H2O/C=3.0 [32] .......................................................................................................................................17 Hình 1.7. Hiệu quả chuyển hóa n-ốctan và tỷ lệ H2 trong sản phẩm của hệ xúc tác Pd- Ni/Al2O3 khi: ( ) O2/C8H18 = 1.0, H2O/C = 3.0; (0) O2/C8H18 = 2.0, H2O/C = 3.0 [32] .......................................................................................................................................18 Hình 1.8. Độ bền xúc tác của mẫu Ni-Pd/Al2O3 [32]....................................................18 Hình 1.9. Hiệu quả chuyển hóa nhiên liệu xăng thành hỗn hợp khí giàu hyđrô của xúc tác Ni-Re/Al2O3 theo nhiệt độ khi carbon (S:C) tỷ lệ 1.7:1 và vận tốc không gian là 12 h-1 [33] ...........................................................................................................................19 Hình 1.10. Hiệu suất chuyển hóa theo nhiệt độ và theo tỷ lệ S/O/C và S/C của hệ xúc tác Ni-Re/Al2O3 tại vận tốc không gian là 3 h-1 [33].....................................................19 Hình 1.11. Sự thay đổi hiệu suất của phản ứng và độ chọn lọc sản phẩm của hệ xúc tác Cu/CeO2 theo nhiệt độ (pi-C8H8=1.5 kPa, pH2O=36 kPa, mcat=250mg, Ft=150 cm3/min) [34].................................................................................................................................21 Hình 1.12. Đặc tính khử theo nhiệt độ của các mẫu xúc tác Ni-Cu [35] ......................22 Hình 1.13. Tốc độ phản ứng của các mẫu xúc tác Ni-Cu [35] ......................................22 Hình 2.1. Biểu đồ năng lượng hoạt hóa của phản ứng khi không chất xúc tác và khi có mặt chất xúc tác đồng thể ..............................................................................................27 Hình 2.2. Biểu đồ năng lượng hoạt hóa của phản ứng khi không chất xúc tác và khi có mặt chất xúc tác dị thể theo thuyết hấp thụ ...................................................................28 - ix -
Hình 2.3. Sơ đồ của phản ứng xúc tác nhiên liệu và hơi nước nhờ tận dụng nhiệt khí thải .................................................................................................................................32 Hình 2.4. Quy trình điều chế hệ xúc tác Ni-Cu/γ-Al2O3 [42] .......................................38 Hình 2.5. Kết quả XRD của các mẫu xúc tác 18% Ni1-x-Cux/Al2O3 (x= (a) 1; (b) 0,7; (c) 0,5; (d) 0,3; (e) 0,1; (f) 0) .........................................................................................42 Hình 2.6. Kết quả XRD của mẫu Ni0,5-Cu0,5/Al2O3 khi thay đổi tỷ lệ Ni-Cu về khối lượng trong hỗn hợp xúc tác (a) 36%; (b) 18%; (c) 6%; (d) 0% ...................................43 Hình 2.7. Kết quả XRD của các mẫu xúc tác khác nhau (a) 18% Ni0.5-Cu0.5/Al2O3; (b) 18% Ni0.5-Ce0.5/Al2O3; (c) 18% Ni0.5-Mo0.5/Al2O3 ........................................................44 Hình 2.8. Ảnh SEM của các mẫu xúc tác khi thay đổi tỷ lệ Ni0,5-Cu0,5 trong hỗn hợp với γ-Al2O3 ....................................................................................................................45 Hình 2.9. Hình ảnh SEM và EDS của mẫu xúc tác 18% Ni0,5-Cu0,5/ -Al2O3 ...............45 Hình 2.10. Sơ đồ thí nghiệm đánh giá hiệu quả xúc tác ................................................46 Hình 2.11. Một số chi tiết chính của hệ thống đánh giá hoạt tính xúc tác ....................47 Hình 2.12. Hệ thống đánh giá hoạt tính xúc tác sau khi lắp hoàn thiện ........................48 Hình 2.13. Đặc tính TPR của các mẫu xúc tác 18% Ni1-x-Cux/Al2O3 (x= (a) 0; (b) 0,1; (c) 0,3; (d) 0,5; (e) 0,7; (f) 1) .........................................................................................51 Hình 2.14. Đặc tính TPR của các mẫu xúc tác khác (a) 18% Ni0.5-Mo0.5/ -Al2O3, (b) 18% Ni0.5-Ce0.5/ -Al2O3, (c) 36 % Ni0.5-Cu0.5/ -Al2O3, (d), 18 % Ni0.5-Cu0.5/ -Al2O3, (e) 6 % Ni0.5-Cu0.5/ -Al2O3 ............................................................................................52 Hình 2.15. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hiệu quả chuyển hóa và phân bố thành phần hỗn hợp khí trên mẫu xúc tác 18 % Ni0,5-Cu0,5/ -Al2O3, N2 = 15 cm3/ph, isô-ốctan = 0,03 g/ph, S/C =2. ..........................................................................................................54 Hình 2.16. Ảnh hưởng khi thay đổi tỷ lệ khối lượng Ni0,5-Cu0,5 trong hỗn hợp với γ- Al2O3 tới hiệu quả chuyển hóa: T=550 oC; N2 = 15 cm3/ph; isô-ốctan = 0,03 g/ph; S/C=2 .............................................................................................................................55 Hình 2.17. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol Cu tới hiệu quả chuyển hóa trên mẫu xúc tác 18% Cux-Ni1-x/Al2O3: T=550 oC; N2 = 15 cm3/ph; isô-ốctan = 0,03 g/ph; S/C=2 ................56 Hình 3.1. Kết cấu xe máy Piaggio Liberty nguyên bản ................................................59 Hình 3.2. Bản vẽ thiết kế hệ thống cung cấp xăng và nước cho bộ xúc tác ..................60 -x-
Hình 3.3. Cấu tạo bơm xăng ..........................................................................................64 Hình 3.4. Nguyên lý hoạt động của bơm nước.............................................................65 Hình 3.5. Vòi phun xăng và nước .................................................................................65 Hình 3.6. Đặc tính phun nhiên liệu của vòi phun xăng và nước ...................................66 Hình 3.7. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động cơ xe máy sử dụng bộ xúc tác ...........67 Hình 3.8. Sơ đồ nguyên lý mạch khối cấp nguồn .........................................................67 Hình 3.9. Mạch điện điều khiển vòi phun nhiên liệu, nước cung cấp cho bộ xúc tác ..68 Hình 3.10. Sơ đồ mạch tạo xung nhịp ...........................................................................68 Hình 3.11. Sơ đồ mạch reset..........................................................................................68 Hình 3.12. Sơ đồ nguyên lý mạch kết nối với máy tính theo chuẩn RS232 .................70 Hình 3.13. Sơ đồ mạch nguyên lý của bộ điều khiển ....................................................71 Hình 3.14. Mạch in hoàn thành sau khi sắp xếp linh kiện và chạy dây ........................71 Hình 3.15. Mạch điều khiển hoàn thành sau khi hàn các linh kiện ...............................72 Hình 3.16. Quy trình công nghệ chế tạo lớp phủ NiO-CuO/ -Al2O3/FeCrAl ...............73 Hình 3.17. Chiều dầy lớp vật liệu trung gian sau 25 lần phủ ........................................74 Hình 3.18. Lõi xúc tác sau khi phủ lớp vật liệu trung gian và lớp xúc tác....................75 Hình 3.19. Hệ thống đường thải xe máy Piaggio Liberty trước khi lắp bộ xúc tác ......76 Hình 3.20. Hệ thống đường thải xe máy Piaggio Liberty khi lắp bộ xúc tác ................80 Hình 3.21. Bản vẽ thiết kế vỏ bộ xúc tác.......................................................................81 Hình 3.22. Đường khí hyđrô cấp cho cổ nạp.................................................................82 Hình 3.23. Bản vẽ thiết kế hoàn chỉnh bộ xúc tác .........................................................83 Hình 3.24. Bộ xúc tác tận dụng năng lượng khí xả lắp trên đường thải xe máy ...........84 Hình 3.25. Quá trình lắp đặt hệ thống cấp nước, xăng trên động cơ xe máy Piaggio Liberty ...........................................................................................................................85 Hình 3.26. Hình ảnh thực tế của hệ thống tạo khí giàu hyđrô lắp trên xe máy Piaggio Liberty ...........................................................................................................................85 - xi -
Hình 4.1. Xe Liberty thử nghiệm trên hiện trường .......................................................88 Hình 4.2. Công suất, suất tiêu hao nhiên liệu động cơ khi sử dụng hệ xúc tác Ni- Cu/Al2O3, Ni/Al2O3 và không sử dụng bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô tại 20% tay ga ..93 Hình 4.3. Khí thải động cơ khi sử dụng hệ xúc tác Ni-Cu/Al2O3, Ni/Al2O3 và không sử dụng bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô tại 20% tay ga .......................................................93 Hình 4.4. Công suất, suất tiêu hao nhiên liệu động cơ khi sử dụng hệ xúc tác Ni- Cu/Al2O3, Ni/Al2O3 và không sử dụng bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô tại 50% tay ga ..94 Hình 4.5. Khí thải động cơ khi sử dụng hệ xúc tác Ni-Cu/Al2O3, Ni/Al2O3 và không sử dụng bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô tại 50% tay ga .......................................................95 Hình 4.6. Công suất, suất tiêu hao nhiên liệu động cơ khi sử dụng hệ xúc tác Ni- Cu/Al2O3, Ni/Al2O3 và không sử dụng bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô tại (a) 75% tay ga và (b) 100% tay ga .........................................................................................................95 Hình 4.7. Khí thải động cơ khi sử dụng hệ xúc tác Ni-Cu/Al2O3, Ni/Al2O3 và không sử dụng bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô tại (a) CO và CO2 tại 75% tay ga, (b) HC và NOx tại 75% tay ga, (c) CO và CO2 tại 100% tay ga và (d) HC và NOx tại 100% tay ga ..96 Hình 4.8. So sánh công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải trung bình của động cơ khi sử dụng bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô Ni-Cu/Al2O3 với khi không cung cấp khí giàu hyđrô ......................................................................................................................97 Hình 4.9. So sánh công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải trung bình của động cơ khi sử dụng bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô Ni-Cu/Al2O3 với bộ xúc tác truyền thống Ni/ Al2O3........................................................................................................................98 Hình 4.10. Công suất, suất tiêu hao nhiên liệu động cơ có sử dụng và không sử dụng bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô theo vị trí tay ga tại 50 km/h ..........................................99 Hình 4.11. Khí thải động cơ có sử dụng và không sử dụng bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô theo vị trí tay ga tại 50 km/h ...............................................................................99 Hình 4.12. So sánh công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải trung bình của động cơ tại 50 km/h khi sử dụng bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô Cu- Ni/Al2O3 với khi không cung cấp khí giàu hyđrô ..............................................................................................100 Hình 4.13. So sánh công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải trung bình của động cơ tại 50 km/h khi sử dụng bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô Ni-Cu/Al2O3 với bộ xúc tác truyền thống Ni/ Al2O3 ................................................................................................101 - xii -
Hình 4.14. Công suất, suất tiêu hao nhiên liệu động cơ sử dụng bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô Ni-Cu/Al2O3 trước và sau khi chạy bền 5000 km ở 100% tay ga .....................102 Hình 4.15. Khí thải động cơ sử dụng bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô Ni-Cu/Al2O3 trước và sau khi chạy bền 5000 km ở 100% tay ga ..............................................................102 Hình 4.16. So sánh hiệu quả động cơ sử dụng bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô Ni- Cu/Al2O3 trước và sau khi chạy bền 5000 km ở 100% tay ga ....................................103 Hình 4.17. Ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử SEM và EDX bề mặt bộ xúc tác Cu - Ni/ Al2O3 trước khi chạy bền.......................................................................................104 Hình 4.18. Ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử SEM và EDX bề mặt bộ xúc tác Ni-Cu/ Al2O3 sau khi chạy bền ................................................................................................105 - xiii -
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Một số tính chất của hyđrô, metan và hơi xăng ..............................................5 Bảng 1.2. Hiệu quả của các vật liệu xúc tác tạo hỗn hợp khí ở nhiệt độ 550oC và vận tốc không gian là 4h-1, S/C/O =1,7/1/0,3 [14] ...............................................................20 Bảng 1.3. Tác động của tỷ lệ S/C/O đối với hiệu quả chuyển hóa nhiên liệu của bộ xúc tác Ni/CeZSM-5 ở nhiệt độ 550 oC và GHSV là 4h-1[14] .............................................21 Bảng 2.1. Một số phản ứng xảy ra trong quá trình nhiệt hóa isô-ốctan với hơi nước [40].................................................................................................................................30 Ej Bảng 2.2. Các hằng số động học phản ứng k j koj e RT ............................................. 31 Bảng 2.3. Các hằng số cân bằng ....................................................................................32 Bảng 2.4. Các hằng số hấp thụ ......................................................................................32 Bảng 2.5. Diện tích bề mặt riêng và cấu trúc lỗ rỗng của các mẫu xúc tác khác nhau .41 Bảng 2.6. Ảnh hưởng của tỷ lệ S/C về khối lượng tới sự phân bố thành phần hỗn hợp khí cho phản ứng nhiệt hóa isô-ốctan trên xúc tác 18% Ni0,5-Cu0,5/Al2O3 ở nhiệt độ 550oC .............................................................................................................................53 Bảng 2.7. Hiệu quả chuyển hóa và phân bố thành phần của phản ứng nhiệt hóa isô- ốctan với hơi nước của các hệ xúc tác khác nhau, t=550oC, N2 = 15 cm3/min; isô-ốctan =0,03 g/ph; S/C =2 ........................................................................................................56 Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật của động cơ Liberty ........................................................58 Bảng 3.2. Đặc tính kinh tế kỹ thuật của động cơ xe Piaggio Liberty tại 100% tay ga..61 Bảng 3.3. Thành phần khí giàu hyđrô thu được khi sử dụng 6% lượng nhiên liệu tiêu thụ cấp cho bộ xúc tác tại 100% tay ga. ........................................................................61 Bảng 3.4. Đặc tính tiêu thụ nhiên liệu và nhiệt độ khí thải tại các chế độ của động cơ 62 Bảng 3.5. Lượng nhiên liệu cấp cho bộ xúc tác tại các chế độ khác nhau của xe ........62 Bảng 3.6. Lượng nước cấp cho bộ xúc tác tại các chế độ khác nhau của xe ................63 Bảng 3.7. Địa chỉ các cổng COM trên máy tính PC1 ...................................................69 Bảng 3.8. Các tín hiệu của các chân đầu nối DB9 trên máy tính PC ............................70 - xiv -
Bảng 3.9. Thông số lõi được chọn để phủ xúc tác .......................................................72 Bảng 3.10. Thông số kỹ thuật của lõi xúc tác ...............................................................75 Bảng 3.11. Tổn thất của ống nối côn [50] .....................................................................79 Bảng 4.1. Kết quả phân tích xăng RON92 ....................................................................88 Bảng 4.2. Công suất, lượng tiêu hao nhiên liệu, khí thải và lamđa của động cơ nguyên bản .................................................................................................................................89 Bảng 4.3. Công suất, lượng tiêu hao nhiên liệu, khí thải và nhiệt độ bộ xúc tác của động cơ khi sử dụng bộ xúc tác Ni/Al2O3 .....................................................................90 Bảng 4.4. Công suất, lượng tiêu hao nhiên liệu, khí thải và nhiệt độ bộ xúc tác của động cơ khi sử dụng bộ xúc tác mới Ni-Cu/Al2O3 .......................................................91 Bảng 4.5. Công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và khí thải của động cơ khi sử dụng bộ xúc tác mới Ni-Cu/Al2O3 tại 100% tay ga trước khi chạy bền 5000 km ......................91 Bảng 4.6. Công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và khí thải của động cơ khi sử dụng bộ xúc tác mới Ni-Cu/Al2O3 tại 100% tay ga sau khi chạy bền 5000 km ..........................92 - xv -
LỜI MỞ ĐẦU i. Xuất xứ đề tài Động cơ đốt trong (ĐCĐT) luôn giữ vai trò quan trọng trong các lĩnh vực như nông nghiệp, công nghiệp, giao thông vận tải cũng như nhiều ngành kinh tế khác. Số lượng động cơ đốt trong ngày càng tăng là nguyên nhân chính gây nên ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, bên cạnh đó nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt. Chính vì vậy vấn đề đặt ra cho các nhà nghiên cứu là tìm ra các giải pháp giảm được ô nhiễm khí thải và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng. Một trong các giải pháp hiệu quả để giảm ô nhiễm và giúp đa dạng hóa nguồn nhiên liệu là sử dụng nhiên liệu thay thế. Một trong những nhiên liệu thay thế là nhiên liệu hyđrô. Nhiên liệu hyđrô có ưu điểm so với nhiên liệu truyền thống là cháy nhanh, trị số ốc-tan cao nên cho phép động cơ có thể làm việc ở tốc độ rất cao, nhờ đó mà dễ dàng tăng công suất động cơ. Ngoài ra khí thải của động cơ sử dụng nhiên liệu hyđrô rất sạch, giới hạn cháy rộng nên động cơ có thể làm việc với hỗn hợp rất nghèo, góp phần làm tăng tính năng kinh tế của động cơ. Tuy nhiên, nhiên liệu hyđrô có nhược điểm so với nhiên liệu truyền thống là nhiệt trị mole rất thấp. Do đó, khi chuyển từ động cơ chạy xăng hoặc diesel sang chạy hoàn toàn bằng hyđrô thì công suất động cơ sẽ bị giảm nhiều nên cần thay đổi động cơ về kết cấu cho phù hợp. Thêm nữa, việc sản xuất, vận chuyển và tích trữ, bảo quản nhiên liệu hyđrô đủ để thay thế hoàn toàn nhiên liệu truyền thống khá khó khăn và tốn kém do nhiên liệu có tỷ trọng rất thấp. Chính vì vậy, nhiều nhà nghiên cứu quan tâm đến việc sử dụng hyđrô như một thành phần phụ gia cho nhiên liệu truyền thống bằng cách bổ sung khí giàu hyđrô tạo ra từ phân giải nhiên liệu nhờ bộ xúc tác tận dụng nhiệt khí thải. Giải pháp này cho thấy các kết quả khả quan, suất tiêu hao nhiên liệu và thành phần phát thải độc hại của động cơ giảm trong khi công suất thay đổi không đáng kể. Tuy nhiên, bộ xúc tác phân giải nhiên liệu thường dùng cho đến nay Ni/Al2O3 chỉ đạt hiệu suất cao khi nhiệt độ khí thải lớn hơn 700oC ứng với chế độ tải lớn, trong khi nhiệt độ khí thải động cơ ở các chế độ tải thấp và trung bình chỉ đạt khoảng 450 - 550oC nên hiệu quả tạo khí giàu hyđrô thấp. Do vậy, vấn đề đặt ra là cần phải cải thiện hiệu suất bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô ở tất cả các chế độ làm việc của động cơ. Luận án này được thực hiện trong khuôn khổ đề tài cấp nhà nước mã số KC.05.25/11-15 với tên “Nghiên cứu nâng cao hiệu quả bộ xúc tác tạo khí giàu hydro trên động cơ xăng” nhằm góp phần giải quyết vấn đề nêu trên. ii. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu luận án nghiên cứu nâng cao hiệu quả bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô trên động cơ xăng nhằm: 1
- Làm chủ công nghệ nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ xúc tác tạo khí hyđrô trực tiếp trên động cơ. - Tìm ra vật liệu xúc tác mới cải thiện hiệu quả chuyển hóa của bộ xúc ở nhiệt độ phản ứng thấp 550oC phù hợp với nhiệt độ khí thải động cơ. - Bộ xúc tác mới có hiệu suất chuyển hóa cao hơn so với bộ xúc tác cũ ở nhiệt độ phản ứng thấp. - Bộ xúc tác mới khi lắp lên động cơ có suất tiêu hao nhiên liệu, thành phần phát thải CO và HC thấp hơn so với động cơ sử dụng bộ xúc tác cũ. iii. Phạm vi nghiên cứu Luận án nghiên cứu trên động cơ phun xăng điện tử. Để giảm chi phí về động cơ, nhiên liệu thử nghiệm, động cơ cỡ nhỏ lắp trên xe máy Piaggio Liberty được chọn làm đối tượng nghiên cứu. - Luận án nghiên cứu mô hình thực nghiệm trong phòng thí nghiệm để tìm ra vật liệu xúc tác mới có hiệu suất chuyển hóa hyđrô cao hơn vật liệu xúc tác cũ. - Thiết kế, chế tạo bộ xúc tác mới lắp trên động cơ xe máy và đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ khi lắp bộ xúc tác mới và so sánh với bộ xúc tác cũ. - Luận án cũng nghiên cứu đánh giá bền bộ xúc tác khi lắp trên xe và trên phương tiện trong phòng thí nghiệm và ngoài hiện trường. iv. Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm. Phần nghiên cứu lý thuyết gồm nghiên cứu cơ sở lý thuyết của các phương pháp tạo khí giàu hyđrô trên động cơ và lập mô hình tính toán sản lượng và hiệu suất tạo hyđrô và các yếu tố ảnh hưởng. Trên cơ sở đó chọn phương pháp phù hợp và các thông số tối ưu tạo khí giàu hyđrô phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ phục vụ nghiên cứu thực nghiệm. Phương pháp nghiên cứu thử nghiệm khi động cơ được trang bị thêm hệ thống cung cấp hỗn hợp khí giàu hyđrô. Trong đó, bao gồm các thử nghiệm tiến hành trong phòng thí nghiệm cũng như các thử nghiệm thực hiện trên đường. v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài * Ý nghĩa khoa học 2
Luận án đã nghiên cứu điều chế được vật liệu xúc tác mới Ni-Cu/Al2O3 để làm chất xúc tác tận dụng nhiệt khí thải tạo khí giàu hyđrô trên động cơ. Từ đó xác định được sản lượng và hiệu suất tạo khí giàu hyđrô cũng như các yếu tố ảnh hưởng, làm cơ sở cho việc chọn chế độ làm việc thích hợp của bộ xúc tác phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ. * Ý nghĩa thực tiễn Bộ xúc tác mới (vật liệu xúc tác mới) có giá thành rẻ và hiệu quả chuyển hóa cao hơn bộ xúc tác truyền thống đã được thử bền trên hiện trường, đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn. Kết quả này mở ra cơ hội có thể ứng dụng sản phẩm trong thực tế nhằm nâng cao tính kinh tế và giảm phát thải cho động cơ. vi. Bố cục của luận án Luận án gồm phần mở đầu, bốn chương, phần kết luận và hướng phát triển, cụ thể như sau: Mở đầu: Giới thiệu tính cấp thiết, mục tiêu và phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án. Chương 1. Tổng quan về nâng cao hiệu quả bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô Chương 2. Nghiên cứu lựa chọn hệ xúc tác mới nhằm tăng hiệu quả tạo khí giàu hyđrô Chương 3. Nghiên cứu tính toán thiết kế và chế tạo hệ thống tạo khí giàu hyđrô sử dụng hệ xúc tác mới Ni-Cu/Al2O3 Chương 4. Nghiên cứu thử nghiệm động cơ lắp bộ xúc tác mới Ni-Cu/Al2O3 Kết luận và hướng phát triển 3
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NÂNG CAO HIỆU QUẢ BỘ XÚC TÁC TẠO KHÍ GIÀU HYĐRÔ 1.1. Tổng quan về nhiên liệu khí giàu hyđrô Khí giàu hyđrô là hỗn hợp khí hyđrô kết hợp với các khí CO, HC và CO2, trong đó lượng khí hyđrô chiếm tỷ lệ lớn trên 60%, khí giàu hy đrô là sản phẩm của quá trình trình cracking hoặc nhiệt hóa nhiên liệu xăng hoặc diesel với hơi nước. Nhiên liệu khí giàu hyđrô có rất nhiều ưu điểm và là nguồn nhiên liệu tiềm năng cho động cơ đốt trong như: sản phẩm của khí hyđrô khi cháy tạo ra rất sạch; giới hạn cháy rất rộng nên động cơ có thể làm việc với hỗn hợp rất loãng giúp tăng tính kinh tế của động cơ; hyđrô có trị số ốctan lớn nên có thể tăng tỷ số nén của động cơ giúp tăng hiệu suất động cơ. Tuy nhiên khí hyđrô có nhược điểm là nhiệt trị trên một đơn vị thể tích nhỏ, tỷ trọng nhiên liệu thấp nên việc sản xuất, vận chuyển và lưu trữ bảo quản nhiên liệu hyđrô đủ để thay thế hoàn toàn cho xăng và diesel khá là khó khăn. Sau đây sẽ trình bày chi tiết về các tính chất của nhiên liệu khí giàu hyđrô, qua đó để đưa ra giải pháp khả thi để sản xuất và nâng cao hiệu quả tạo khí giàu hyđrô cho động cơ. 1.1.1. Tính chất nhiên liệu khí giàu hyđrô Hyđrô là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ và tồn tại chủ yếu ở dạng hợp chất với các nguyên tố khác. Hyđrô từ lâu đã được xem như một loại nhiên liệu mong muốn cho ĐCĐT. Khác với các loại nhiên liệu truyền thống, đây là nguồn nhiên liệu không gây ô nhiễm khí thải, có thể tái tạo và có thể được sản xuất từ nguồn nước vô tận. Hyđrô có thể được sử dụng như một đơn nhiên liệu trên ĐCĐT đốt cháy cưỡng bức hoặc làm nhiên liệu bổ sung trên cả động cơ xăng và động cơ diesel. Hyđrô khi phản ứng với oxy tạo ra sản phẩm sạch, chỉ có nước và không có thành phần ô nhiễm nào nên không gây ô nhiễm môi trường và không gây hiệu ứng nhà kính như khi sử dụng các loại nhiên liệu hóa thạch. Thêm nữa, nhiên liệu này có ưu điểm là cháy nhanh, trị số ốctan cao (trên 130), chống kích nổ tốt, nên cho phép động cơ có thể làm việc ở tốc độ rất cao, tỷ số nén lớn, nhờ đó mà dễ dàng tăng công suất động cơ. Giới hạn thành phần hỗn hợp để đảm bảo khả năng cháy tốt rất rộng nên động cơ có thể làm việc với hỗn hợp rất loãng, =0,15 10. Do đó động cơ có thể chạy hỗn hợp nghèo để giảm NOx và góp phần làm tăng tính kinh tế sử dụng động cơ. Mặc dù vậy, nhiên liệu hyđrô cũng có một số nhược điểm so với nhiên liệu xăng và diesel là nhiệt trị mole rất thấp nên nếu không thay đổi kết cấu động cơ khi chuyển từ động cơ chạy xăng hoặc diesel sang động cơ chạy hoàn toàn bằng hyđrô cấp vào đường ống nạp thì công suất động cơ sẽ bị giảm nhiều. Các tính chất vật lý và tính chất cháy của hyđrô ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng sử dụng hyđrô làm nhiên liệu trong động cơ đốt trong đã được trình bày một cách chi tiết trong các tài liệu tham khảo [1-4]. Một số tính chất điển hình của hyđrô 4
so với khí mê tan và xăng được chỉ ra trong Bảng 1.1 và được phân tích thêm dưới đây [1-4]. 1.1.1.1. Tỷ trọng Số liệu trong Bảng 1.1 cho thấy hyđrô có tỷ trọng nhỏ chỉ bằng khoảng 11% so với mê tan và 1,6% so với hơi xăng, tức là nhẹ hơn 8,7 lần so với mê tan và 63,2 lần so với hơi xăng ở cùng điều kiện áp suất. Trong bảng tuần hoàn hoá học, hyđrô có khối lượng phân tử là 2,016 và là nguyên tố nhẹ nhất; tỉ trọng của nó nhỏ hơn 14 lần so với không khí ở điều kiện áp suất tiêu chuẩn. Hyđrô tồn tại ở dạng lỏng tại nhiệt độ - 252,7oC. Tỷ trọng của hyđrô nhỏ sẽ làm giảm mật độ năng lượng của nhiên liệu này. Bảng 1.1. Một số tính chất của hyđrô, mêtan và hơi xăng Tính chất Hyđrô Mê tan Hơi xăng Tỉ trọng tại điều kiện 1 at và 27 oC (kg/m3) 0,082 0,717 5,11 Hệ số khuếch tán vào không khí (cm2/s) 0,61 0,189 0,05 Nhiệt trị thấp (kJ/kg) 141900 45800 44790 Mật độ năng lượng (kJ/m3) Ở áp suất 1 atm,15 oC 10050 32560 228495 Ở áp suất 200 atm, 15 oC 1825000 6860000 - Ở trạng thái lỏng 8491000 20920400 31150000 Thành phần thể tích trong hỗn hợp stoichiometric(cân bằng hóa học) với không 29,53 9,48 1,65 khí (% thể tích) Lượng không khí lý thuyết (kg/kg nhiên liệu) 34,5 14,5 14,7 Nhiệt cháy của hỗn hợp nhiên liệu với 1 kg không khí ở stoichiometric(cân bằng hóa học) 3,37 2,9 2,83 (MJ/kg không khí) Giới hạn cháy (lambda) 0,14-10 0,6-2,5 0,25-1,4 Giới hạn cháy (% thể tích hơi nhiên liệu) 4-75 4,3-15,0 1,4-7,6 Năng lượng đánh lửa tối thiểu yêu cầu (mJ) 0,02 0,28 0,25 5