Đồ án: Cải tạo động cơ Diesel EV2600NB sang Dual Fuel Syngas/Diesel

Tài liệu đồ án cải tạo động cơ diesel EV2600NB sang dual fuel Syngas/Diesel. Chi tiết thiết kế, sản xuất syngas và kết quả thử nghiệm thực tế.

• Tác giả: Nguyễn Đức Thọ
• Trường học: Đại học Đà Nẵng
• Đề tài: Thiết kế hệ cải tạo động cơ diesel EV2600NB sang sử dụng động cơ Duel Fuel Syngas/Diesel
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đồ Án Cải Tạo Động Cơ Diesel Sang Duel Fuel Syngas Diesel

Đồ án cải tạo động cơ diesel EV2600NB sang sử dụng duel fuel syngas/diesel là một giải pháp tiên tiến nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tận dụng hiệu quả các phế phẩm nông nghiệp. Dự án này đưa ra một phương pháp mới trong việc xử lý rơm, rạ, bã đậu thông qua công nghệ khí hóa RDF để tạo ra nhiên liệu syngas sạch. Mục tiêu chính là cải thiện hiệu suất động cơ đốt trong, giảm khí thải độc hại CO₂, NOx và PM, đồng thời bảo vệ tài nguyên thiên nhiên. Đây là đề tài có tính khoa học cao và ứng dụng thực tiễn rộng lớn, đặc biệt phù hợp với xu hướng phát triển bền vững toàn cầu.

1.1. Thực Trạng Ô Nhiễm Môi Trường Từ Nhiên Liệu Hóa Thạch

Sự cạn kiệt khoáng sản và phát thải từ nhiên liệu hóa thạch đang tạo gánh nặng lớn cho sức khỏe con người và môi trường toàn cầu. Các khí thải từ động cơ diesel chứa những chất độc hại như NOx, PM2.5 và CO₂ gây ô nhiễm không khí. Nhiệt độ bề mặt Trái Đất liên tục tăng, dẫn đến biến đổi khí hậu nghiêm trọng. Việc tìm kiếm nhiên liệu thay thế sạch trở nên cấp bách hơn bao giờ hết.

1.2. Tính Cấp Thiết Của Đề Tài Nghiên Cứu

Đề tài này giải quyết hai vấn đề lớn: xử lý phế phẩm nông nghiệp và giảm phát thải độc hại. Syngas là nhiên liệu tái tạo, sạch, có khả năng giảm đáng kể lượng khí thải từ động cơ. Ứng dụng công nghệ duel fuel cho phép động cơ diesel chạy bằng cả syngas và diesel, nâng cao hiệu suất năng lượng và bảo vệ tài nguyên thiên nhiên.

II. Sản Xuất Syngas Từ Công Nghệ Khí Hóa RDF

Công nghệ khí hóa RDF (Refuse Derived Fuel) là quy trình chuyển đổi phế phẩm nông nghiệp thành khí tổng hợp syngas thông qua phản ứng nhiệt hóa ở nhiệt độ cao trong môi trường thiếu oxy. Quá trình này bao gồm nhiều giai đoạn: khảy khô, phân hủy, oxi hóa riêng phần và khí hóa. Sản phẩm cuối cùng là syngas chứa chủ yếu các thành phần CO, H₂, CH₄ với hiệu suất chuyển đổi cao. Lò khí hóa được thiết kế để vận hành ổn định với các thông số kỹ thuật tối ưu, bao gồm hệ thống lọc để loại bỏ các tạp chất.

2.1. Nguyên Lý Và Công Nghệ Khí Hóa

Khí hóa là quá trình chuyển đổi nhiên liệu rắn thành khí qua phản ứng hóa học ở nhiệt độ cao (700-900°C). Phế phẩm RDF được đưa vào lò, nơi có sự kiểm soát lượng oxy cặn. Các sản phẩm khí (CO, H₂, CH₄, CO₂, N₂) hình thành từ quá trình oxy hóa riêng phần và khí hóa đặc biệt.

2.2. Tính Toán Thành Phần Khí Syngas

Thành phần syngas phụ thuộc vào loại nhiên liệu RDF, điều kiện vận hành lò và tỷ lệ không khí. Công thức cân bằng năng lượng giúp xác định chính xác tỷ lệ các khí như CO (25-35%), H₂ (10-20%), CH₄ (2-8%) và CO₂, N₂. Tính toán chính xác đảm bảo hiệu suất khí hóa và chất lượng nhiên liệu phục vụ động cơ.

III. Đặc Điểm Nhiên Liệu Syngas Và Ưu Nhược Điểm

Syngas là hỗn hợp khí tổng hợp bao gồm carbon monoxide (CO), hydro (H₂), methane (CH₄) và các thành phần khác, được tạo ra từ quá trình khí hóa. Nhiên liệu này có các tính chất hóa lý đặc biệt: độ bền cháy thấp, nhiệt độ tự bắt lửa cao và khả năng tạo lành mạnh. Syngas có ưu điểm nổi bật là sạch sẽ, tái tạo, chi phí thấp và giảm phát thải NOx, PM so với diesel truyền thống. Tuy nhiên, lại tồn tại nhược điểm như công suất động cơ giảm khoảng 10-15%, cần hệ thống lọc tạp chất hiện đại để bảo vệ động cơ.

3.1. Tính Chất Hóa Lý Của Syngas

Syngas có khối lượng riêng thấp hơn air, nhiệt độ tự bắt lửa khoảng 600°C, và năng suất nhiệt khoảng 4-6 MJ/m³. Tính chất cháy nhanh của syngas cho phép đốt cháy hoàn toàn trong động cơ, tạo áp lực khí tối ưu. Hàm lượng oxy trong CO giúp quá trình cháy sạch hơn so với dầu diesel thuần.

3.2. Ưu Và Nhược Điểm Khi Sử Dụng Syngas

Ưu điểm: giảm phát thải CO₂ 30-40%, giảm PM 50-60%, tận dụng phế phẩm nông nghiệp, chi phí nhiên liệu thấp. Nhược điểm: công suất giảm 10-15% so với diesel, cần hệ thống lọc bụi tạo lành mạnh phức tạp, tạo lành mạnh lỏng cần xử lý. Tuy nhiên, ưu điểm về bảo vệ môi trường vượt trội.

IV. Thử Nghiệm Và Kết Quả Của Động Cơ Duel Fuel Syngas Diesel EV2600NB

Thử nghiệm động cơ duel fuel syngas/diesel EV2600NB được tiến hành nhằm đánh giá hiệu suất, công suất, tiêu thụ nhiên liệu và mức phát thải khí độc hại. Bố trí thí nghiệm bao gồm hệ thống cấp syngas từ túi chứa khí, bộ điều chỉnh lưu lượng, và các cảm biến đo lường. Kết quả cho thấy khi chạy chế độ duel fuel, động cơ giảm phát thải NOx 25-35%, giảm PM 40-50%, đồng thời tiết kiệm chi phí nhiên liệu 20-30% so với diesel thuần. Công suất giảm nhẹ 8-12% là hiệu suất chấp nhận được. Các thông số kỹ thuật ổn định, nhiệt độ khí thải hợp lý.

4.1. Mục Đích Và Yêu Cầu Thí Nghiệm

Mục đích chính là đánh giá khả năng chạy duel fuel của động cơ EV2600NB và so sánh hiệu suất giữa chế độ syngas/diesel, diesel thuần. Yêu cầu: đo lường công suất, momen xoắn, tiêu thụ nhiên liệu, phát thải NOx, CO₂, PM. Hệ thống phải ổn định, an toàn trong suốt quá trình thí nghiệm.

4.2. Kết Quả Thí Nghiệm Và Hướng Phát Triển

Kết quả cho thấy chế độ duel fuel giảm phát thải 25-50% so với diesel thuần, tiết kiệm chi phí 20-30%, công suất giảm chấp nhận được 8-12%. Hướng phát triển: tối ưu hóa hệ thống lọc, nâng cao chất lượng syngas, phát triển hệ thống điều khiển tự động, mở rộng ứng dụng cho các loại động cơ khác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1. Thực trạng ô nhiễm môi trường 1. Tình hình ô nghiễm môi trường của nhiên liệu hóa thạch Việc duy trì khai thác và sử dụng nhiên liệu hóa thạch đã và đang nhận những cảnh bảo “đỏ”, khi mà hậu quả của nó đang là gánh nặng lên môi trường, kinh tế và an ninh năng lượng. Các tổ chức thế giới (UNFCCC) đã nhìn ra vấn đề này và có những hành động quyết liệt (tổ chức hội nghị hằng năm COP 1 vào năm 1995 và gần đây nhất là COP 26) Đầu tiên, sự phát thải ra môi trường xung quoanh từ việc khai thác, sử dụng nhiên liệu hóa thạch đang gây “Hiệu ứng nhà kính” – “Nhiệt độ của trái đất nóng lên” gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người, môi trường.

Hình TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU. Ô nhiễm môi trường từ khí thải nhà máy sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Nếu bạn đã từng đi qua khu công nghiệp với cột khói cao đến tận trời, bạn đã tận mắt chứng kiến ô nhiễm nhiên liệu hóa thạch! Nhiên liệu hóa thạch cần được đốt cháy để giải phóng năng lượng tích trữ trong đó, đồng thời tạo ra Cacbon Dioxide và các chất ô nhiễm khác được bơm vào không khí. Các chất độc hại dẫn đến những tác động bất lợi cho bầu khí quyển, tạo nên hiệu ứng nhà kính và hiệu ứng nóng lên toàn cầu.

 Cụ thể: Sulfur dioxide và kim loại nặng dẫn đến các hậu quả nghiêm trọng như mưa axit và tổn thương đường hô hấp ở người. Các chất ô nhiễm từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch có liên quan đến các bệnh ung thư và hen suyễn. THIẾT KẾ HỆ CẢI TẠO ĐỘNG CƠ DIESEL EV2600NB SANG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ DUEL FUEL SYNGAS/DIESEL Nhiên liệu hóa thạch góp phần vào thay đổi khí hậu và sự đóng góp đó trên trực tiếp từ các hạt được đưa vào khí quyển khi nhiên liệu hóa thạch bị đốt cháy. Các hợp chất như CO2 và CH4 xâm nhập vào bầu khí quyển, dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ trung bình toàn cầu kể từ những năm 1900, gây ra các hậu quả như môi trường sống tự nhiên bị phá hủy, mực nước biển dâng.

Hình TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU. Đồ họa của NASA về nhiệt độ bề mặt Trái Đất giai đoạn 2013 – 2017. Bên cạnh đó, trữ lượng của nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt khi nhu cầu sử dụng nhiên liệu hóa thạch tăng là nhiên liệu đầu vào cho các ngành Công nghiệp như: Cơ khí, Vận tải, Luyện kim,… khiến cho chi phí để khai thác và sử dụng ngày càng tăng, làm tiền đề cho các mặt hàng khác lên giá. a) b) Hình TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU.a) Nhu cầu sử dụng nhiên liệu hóa thạch tăng cao từ sau năm 1950.

b) Trữ lượng còn lại của nhiên liệu hóa thạch THIẾT KẾ HỆ CẢI TẠO ĐỘNG CƠ DIESEL EV2600NB SANG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ DUEL FUEL SYNGAS/DIESEL Cuối cùng, Việt Nam đã cam kết những vấn đề quan trọng khi tham gia hội nghị COP26, nhằm khẳng định vị thế trên thị trường thế giới cũng như quyết tâm cắt giảm lượng phát thải ròng về 0 và giữ mức tăng nhiệt độ trái đất dưới 1,5 oC/năm, sau thời kỳ tiền công nghiệp. Hình TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU.Thủ tướng Phạm Minh Chính phát biểu tại Hội nghị thượng đỉnh khí hậu được tổ chức trong khuôn khổ Hội nghị lần thứ 26 các Bên tham gia Công ước khung của Liên hợp quốc về Biến đổi khí hậu (COP26), Glasgow, Scotland, Vương quốc Anh. (Ảnh: TTXVN) Ngày nay, hậu hết các loại hình vận tải (đường biển, đường bộ, hàng không) đều sử dụng động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu Diesel. Bên cạnh việc tiết kiệm chi phí cho doanh nghiệp và đảm bảo công suất làm việc thì động cơ Diesel đang gây tác động lên môi trường khi khí thải phát ra từ động cơ chứa nhiều thành phần độc như: CO 2, HC, NOx, ….

THIẾT KẾ HỆ CẢI TẠO ĐỘNG CƠ DIESEL EV2600NB SANG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ DUEL FUEL SYNGAS/DIESEL Hình TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU.5 Sự phát thải các chất độc hại từ động cơ Ô tô. *Tác hại của khí thải đến sức khỏe con người: - CO: Monoxyde carbon là sản phẩm khí không màu, không mùi, không vị, sinh ra do ô xy hoá không hoàn toàn carbon trong nhiên liệu trong điều kiện thiếu oxygen. CO ngăn cản sự dịch chuyển của hồng cầu trong máu làm cho các bộ phận của cơ thể bị thiếu oxygène. Nạn nhân bị tử vong khi 70% số hồng cầu bị khống chế (khi nồng độ CO trong không khí lớn hơn 1000ppm).

Ở nồng độ thấp hơn, CO cũng có thể gây nguy hiểm lâu dài đối với con người: khi 20% hồng cầu bị khống chế, nạn nhân bị nhức đầu, chóng mặt, buồn nôn và khi tỉ số này lên đến 50%, não bộ con người bắt đầu bị ảnh hưởng mạnh. - NOx: NOx là họ các oxyde nitơ, trong đó NO chiếm đại bộ phận. NOx được hình thành do N2 tác dụng với O2 ở điều kiện nhiệt độ cao (vượt quá 1100°C). NO2 là chất khí màu hơi hồng, có mùi, khứu giác có thể phát hiện khi nồng độ của nó trong không khí đạt khoảng 0,12ppm.

NO2 là chất khó hòa tan, do đó nó có thể theo đường hô hấp đi sâu vào phổi gây viêm và làm hủy hoại các tế bào của cơ quan hô hấp. Nạn nhân bị mất ngủ, ho, khó thở. Protoxyde nitơ N2O là chất cơ sở tạo ra ozone ở hạ tầng khí quyển. - Hydocarbure: Hydrocarbure (HC) có mặt trong khí thải do quá trình cháy không hoàn toàn khi hỗn hợp giàu, hoặc do hiện tượng cháy không bình thường.

Chúng gây tác hại đến sức khỏe con người chủ yếu là do các hydrocarbure thơm. Từ lâu người ta đã xác định được vai trò của benzen trong căn bệnh ung thư máu (leucémie) khi nồng độ của nó lớn hơn 40ppm hoặc gây rối loạn hệ thần kinh khi nồng độ lớn hơn 1g/m3 , đôi khi nó là nguyên nhân gây các bệnh về gan. - SO2: Oxyde lưu huỳnh là một chất háu nước, vì vậy nó rất dễ hòa tan vào nước mũi, bị oxy hóa thành H2SO4 và muối amonium rồi đi theo đường hô hấp vào sâu trong THIẾT KẾ HỆ CẢI TẠO ĐỘNG CƠ DIESEL EV2600NB SANG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ DUEL FUEL SYNGAS/DIESEL phổi. Mặt khác, SO2 làm giảm khả năng đề kháng của cơ thể và làm tăng cường độ tác hại của các chất ô nhiễm khác đối với nạn nhân.

- Bồ hóng: Bồ hóng là chất ô nhiễm đặc biệt quan trọng trong khí xả động cơ Diesel. Nó tồn tại dưới dạng những hạt rắn có đường kính trung bình khoảng 0,3mm nên rất dễ xâm nhập sâu vào phổi. Sự nguy hiểm của bồ hóng, ngoài việc gây trở ngại cho cơ quan hô hấp như bất kì một tạp chất cơ học nào khác có mặt trong không khí, nó còn là nguyên nhân gây ra bệnh ung thư do các hydrocarbure thơm mạch vòng (HAP) hấp thụ trên bề mặt của chúng trong qua trình hình thành. - Chì: Chì có mặt trong khí xả do Thétraétyl chì Pb(C2H5)4 được pha vào xăng để tăng tính chống kích nổ của nhiên liệu.

Sự pha trộn chất phụ gia này vào xăng hiện nay vẫn còn là đề tài bàn cãi của giới khoa học. Chì trong khí xả động cơ tồn tại dưới dạng những hạt có đường kính cực bé nên rất dễ xâm nhập vào cơ thể qua da hoặc theo đường hô hấp. Khi đã vào được trong cơ thể, khoảng từ 30 đến 40% lượng chì này đi vào máu. Sự hiện hiện của chì gây xáo trộn sự trao đổi ion ở não, gây trở ngại cho sự tổng hợp enzyme để hình thành hồng cầu, và đặc biệt hơn nữa, nó tác động lên hệ thần kinh làm trẻ em chậm phát triển trí tuệ.

Chì bắt đầu gây nguy hiểm đối với con người khi nồng độ của nó trong máu vượt quá 200 đến 250mg/lít. Mặc dù đã có nhiều biện phát nhằm giảm thành phần độc hại của khí thải động cơ nhưng vẫn chưa triệt để. Bảng TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU.1 Bảng các công nghệ xử lí khí thải động cơ Diesel STT Công nghệ Tác động đến Ý nghĩa khí thải 1 Chất xúc tác oxy Giảm phát thải Được sử dụng rộng rãi trên ô tô Euro hóa diesel (DOC) HC / CO cao, 2/3 và trên một số động cơ diesel chuyển đổi PM từ US1994 trở lên và hạng nặng và hạng nhỏ đến trung trung. Trong các động cơ hiện đại, được bình.

Quá trình sử dụng làm chất xúc tác phụ trợ trong oxy hóa NO hệ thống xử lý sau SCR / DPF (tạo thành NO 2 nâng NO 2 , kiểm soát trượt amoniac). cao hiệu suất của hệ thống SCR / DPF. THIẾT KẾ HỆ CẢI TẠO ĐỘNG CƠ DIESEL EV2600NB SANG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ DUEL FUEL SYNGAS/DIESEL 2 Chất xúc tác oxy Giảm phát thải Ứng dụng thương mại hạn chế trong hóa hạt lên đến ~ 50% một số động cơ xe tải hạng nặng Euro PM IV (được trang bị EGR), cũng như trong một số động cơ hạng nhẹ và động cơ không đường. 3 Bộ lọc hạt diesel Giảm phát thải Công nghệ chính được sử dụng trên tất (DPF) 90% + PM cả các động cơ diesel hạng nhẹ Euro 5 và US Tier 2 trở lên; trong tất cả US2007 và Euro VI và các động cơ hạng nặng sau này; trong tất cả các động cơ không chạy Giai đoạn V 4 Chất xúc tác urê- Giảm 90% + NOx Công nghệ chính được sử dụng trong SCR US2010, Euro V và các động cơ hạng nặng sau này; ở Hoa Kỳ Cấp 2 và Euro 5/6 và các xe diesel hạng nhẹ sau này; trong động cơ phiroad, hàng hải và động cơ tĩnh.

5 Chất xúc tác hấp Giảm tới ~ 70- Được sử dụng làm chất xúc tác khử phụ NOx 90% NOx, tùy NOx độc lập trong một số xe hạng nhẹ thuộc vào chu kỳ Cấp 2 và Euro 5/6 của Hoa Kỳ. Được truyền động sử dụng làm chất xúc tác khử NOx khởi động nguội trên một số xe đạt tiêu chuẩn Euro 6 với SCR. Nhiên liệu sinh học 1.1 Các thế hệ nhiên liệu sinh học Nhiên liệu sinh học có nguồn góc từ năng lượng mặt trời, chúng khả năng tái tạo, thân thiện với môi trường, có thể thay thế dầu mỏ. Nhiên liệu sinh học bao gồm các dạng rắn (biomass), lỏng (biodiesel, bioethanol, bio methanol.

Nhiên liệu sinh học đã trải qua 3 thế hệ: - Thế hệ thứ nhất: Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất được tạo ra từ các nguồn nguyên liệu carbohydrate như gạo, ngô, lúa mạch, lúa mỳ, củ cải đường.; các loại hạt có dầu như dầu cọ, đậu tương, dầu hạt cải. hoặc từ mỡ động vật.