CHƯƠNG 1.1 Lý do chọn đề tài Trong bối cảnh khủng hoảng năng lượng toàn cầu, các vấn đề ô nhiễm môi trường đang gia tăng, cần phải tìm ra những nguồn năng lượng mới để dần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng bị cạn kiệt. Để giảm thiểu ô nhiễm môi trường do phát thải của động cơ đốt trong vào môi trường, đang là vấn đề được Đảng và Nhà nước chúng ta quan tâm cũng như có nhiều giải pháp tìm kiếm nguồn nhiên liệu để thay thế hoặc tận dụng các nguồn nhiên liệu đã được phát hiện nhưng chưa được khai thác một cách triệt để. Năng lượng đóng vai trò rất quan trọng trong sự phát triển kinh tế. Nền kinh tế càng phát triển thì nhu cầu về năng lượng càng lớn dẫn đến suy giảm nhanh chóng nguồn nhiên liệu hóa thạch, đẩy giá nhiên liệu (xăng dầu, than, khí…) lên cao và gia tăng lượng khí CO2 thải vào khí quyển, gây nên hiệu ứng nhà kính, biến đổi khí hậu toàn cầu.
Do đó, ngoài những nghiên cứu giải pháp sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả thì nghiên cứu, ứng dụng những công nghệ mới nhằm phát triển, tạo ra nguồn năng lượng thay thế, bổ sung cho các nguồn năng lượng hoá thạch cần được quan tâm. Lượng chất thải rắn sinh hoạt phát sinh ở Việt Nam hiện nay khoảng 25,5 triệu tấn/năm, trong đó chất thải rắn sinh hoạt đô thị khoảng 38.000 tấn/ngày và chất thải rắn sinh hoạt nông thôn khoảng 32. Chất thải rắn sinh hoạt ở các đô thị hiện chiếm hơn 50% tổng lượng chất thải rắn sinh hoạt của cả nước và chiếm khoảng 60 - 70% tổng lượng chất thải rắn đô thị [1]. Dân số tăng nhanh, kết hợp với quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa nhanh chóng dẫn đến sự gia tăng phát sinh chất thải.
Ước tính lượng chất thải rắn sinh hoạt ở các đô thị tăng trung bình 10 - 16% mỗi năm. Đồng thời, phương pháp chính trong việc xử lý, tiêu hủy chất thải rắn chủ yêu theo hình thưc chôn lấp, ước tính 70 - 75% chất thải rắn sinh hoạt đang được xử lý theo phương pháp này. Năm 2016, cả nước 2 có khoảng 660 bãi chôn lấp chất thải rắn sinh hoạt với tổng diện tích khoảng 4.900 ha, trong đó có chỉ có 203 bãi chôn lấp hợp vệ sinh, chiếm 31% [1]. Hiện nay, khí bãi chôn lấp chất thải rắn là một trong những tác nhân gây ô nhiễm môi trường không khí nghiêm trọng.
Khí bãi chôn lấp chứa thành phần chính là khí metan và các chất hữu cơ bay hơi khác. Các chất khí ô nhiễm từ trong bãi chôn lấp có thể khuếch tán vào trong môi trường không khí một cách dễ dàng. Trong suốt quá trình vận hành bãi chôn lấp chất thải sinh hoạt bằng phương pháp chôn lấp hợp vệ sinh luôn thải ra các loại khí thải có ảnh hưởng xấu đến môi trường xung quanh do đó bắt buộc phải thu gom, xử lý hoặc tái sử dụng khí thải từ bãi rác nhằm bảo vệ môi trường. Quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ trong bãi chôn lấp chất thải rắn đã tạo thành một lượng lớn các khí như: carbonic CO2, methane CH4, ammonia NH3, hydrogen sulfide H2S, chất hữu cơ bay hơi,…Nếu không được thu gom để xử lý và tái sử dụng năng lượng, các loại khí trên sẽ gây ô nhiễm đến môi trường không khí, đặc biệt là khí CO2 và CH4 gây ảnh hưởng đến khí hậu do “Hiệu ứng nhà kính”.
Nhằm khai thác hiệu quả hơn nguồn khí phát sinh từ bãi chôn lấp chất thải rắn, đồng thời góp phần bảo vệ môi trường và nâng cao khả năng trong việc tìm các nguồn nhiên liệu thay thế nguồn năng lượng hóa thạch sử dụng trong động cơ đốt trong, tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu mô phỏng đánh giá đặc tính động cơ diesel 1 xilanh sử dụng DO-LFG”.2 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu chính của Luận văn là để đánh giá đặc tính công suất, phát thải của động cơ diesel 1 xy lanh sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DO-LFG. Trên cơ sở của kết quả nghiên cứu, tác giả sẽ phân tích ảnh hưởng của các thông số vận hành tiêu biểu (tốc độ động cơ, tỉ lệ hòa trộn…) đến đặc tính kỹ thuật và phát thải, cũng như đề xuất tỷ lệ bổ sung phù hợp LFG vào trong nhiên liệu DO nhằm đánh giá tính khả thi của việc ứng dụng nhiên liệu mới từ khí thải phát sinh tại các bãi chôn lấp chất thải rắn ở Việt Nam.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là động cơ DO 1 xy lanh, phun trực tiếp Vikyno RV125- 2 và nhiên liệu LFG. Đây là dòng động cơ được Việt Nam sản xuất, chiếm thị phần lớn trong nước và xuất khẩu. Phạm vi nghiên cứu của Luận văn này giới hạn trong các nội dung như sau: - Nghiên cứu đặc tính kỹ thuật (công suất, mô-men, suất tiêu hao nhiên liệu) của động cơ DO 01 xy lanh sử dụng hỗn hợp DO-LFG.
- Đánh giá đặc tính phát thải (khí NOx, CO, SOOT) của động cơ DO 01 xy lanh sử dụng hỗn hợp DO-LFG. - Đề xuất tỷ lệ bổ sung LFG với DO phù hợp trong điều kiện đảm bảo cân đối giữa các tiêu chí kinh tế, kỹ thuật, và môi trường.4 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu chính của Luận văn là phương pháp mô phỏng sử dụng phần mềm AVL Boost. Ngoài ra, tác giả cũng sử dụng phương pháp phân tích tổng hợp các tài liệu liên quan và tham vấn ý kiến chuyên gia tại Công ty SVEAM, Thầy hướng dẫn,… 1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Trong điều kiện Việt Nam hiện nay, việc sử dụng khí LFG chưa được áp dụng nhiều trong các lĩnh vực khoa học và đời sống, đặc biệt trong việc ứng dụng đối với động cơ đốt trong. Vì vậy, để có thể nghiên cứu thử nghiệm với nhiên liệu khí LFG, việc nghiên cứu mô phỏng có ý nghĩa rất lớn.
Sau đó thực hiện quá trình thử nghiệm đối chứng, phân tích và so sánh các thông số về kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu DO-LFG để có kết luận về tính hiệu quả và khả năng ứng dụng khí LFG sử dụng trên động cơ đốt trong. Kết quả của Luận văn có ý nghĩa thực tiễn đối với việc nghiên cứu, sử dụng nhiên liệu LFG cho động cơ đốt trong, giúp các nhà sản xuất lựa chọn, chế tạo động cơ lưỡng nhiên liệu DO-LFG phù hợp, giúp người tiêu dùng hiểu hơn về LFG. Đồng thời, đóng góp cơ sở khoa học cho 4 các nhà quản lý trong việc xây dựng các chính sách phát triển động cơ lưỡng nhiên liệu thông qua quá trình mô phỏng đặc tính kỹ thuật và phát thải động cơ sử dụng lưỡng nhiên DO-LFG trên phần mềm AVL-Boost. Nghiên cứu trong Luận văn góp phần làm rõ ảnh hưởng của khí LFG khi ứng dụng làm nhiên liệu kép với DO trên động cơ DO đến đặc tính kỹ thuật, phát thải và đề xuất tỷ lệ bổ sung LFG phù hợp nhất cho kết cấu 1 động cơ DO cụ thể.
Nếu đề tài thực hiện thành công, kết quả nghiên cứu góp phần làm rõ tính khả thi của việc ứng dụng LFG từ các bãi chôn lấp chất thải rắn như là nhiên liệu mới trong lĩnh vực động cơ đốt trong và thiết bị động lực, hệ thống phát năng lượng.6 Tổng quan về LFG 1.1 Giới thiệu về LFG Trong thời gian qua, sự gia tăng dân số cùng với phát triển kinh tế - xã hội đã làm gia tăng nhu cầu tiêu dùng hàng hóa, nguyên vật liệu, năng lượng, đồng thời làm gia tăng lượng phát sinh chất thải rắn, với thành phần ngày càng phức tạp đã và đang gây khó khăn cho công tác quản lý chất thải rắn ở Việt Nam. Thống kê của Bộ Xây dựng, hiện có 660 bãi chôn lấp ở Việt Nam tiếp nhận khoảng 20.200 tấn rác thải mỗi ngày [2]. Trong số 660 địa điểm xử lý chất thải này trên cả nước, chỉ có hơn 30% được xếp loại là bãi chôn lấp hợp vệ sinh có lớp che phủ trên rác thải. Điều này gây ra nhiều vấn đề, rủi ro về môi trường và sức khỏe, đặc biệt ở những vùng có mức phát sinh chất thải lớn và mật độ dân số cao, bao gồm: ô nhiễm nước ngầm tác động trực tiếp đến giếng nước của cộng đồng đang sống xung quanh bãi chôn lấp; ô nhiễm nguồn nước mặt thông qua việc xả thải các chất thải lỏng độc hại do không xử lý nước rỉ rác một cách đầy đủ hoặc do các hoạt động vận hành kém; ô nhiễm không khí do khí thải từ bãi chôn lấp hoặc từ việc đốt rác thải lộ thiên; rủi ro về sức khỏe, đặc biệt là đối với những người nhặt rác; động vật (ruồi, gián, chuột) lây lan bệnh tật; phát tán chất thải, đặc biệt là nhựa, vào môi trường xung quanh và sau đó là vào hệ thống sông ngòi và đại dương.
5 Bãi chôn lấp chất thải rắn là một trong các nguồn phát sinh khí nhà kính. Khí bãi chôn lấp là một trong nhiều sản phẩm được sinh ra từ quá trình phân hủy sinh học các thành phần hữu cơ trong chất thải bãi chôn lấp. Tại thời điểm chất thải được chôn lấp và một thời gian ngắn sau đó, không khí được giữ lại trong chất thải còn đủ lượng ôxy cho phép giai đoạn phân hủy sinh học diễn ra ban đầu là giai đoạn hiếu khí. Thành phần chính của khí bãi chôn lấp trong giai đoạn này là CO2 và hơi nước [3].
Khí bãi chôn lấp chất thải rắn bao gồm nhiều khí tồn tại với lượng lớn (các khí chính/chủ yếu) và nhiều khí tồn tại với lượng rất nhỏ (gọi là khí vi lượng). Các khí chính sinh ra từ quá trình phân huỷ các chất hữu cơ có trong chất thải rắn sinh hoạt. Một số khí vi lượng, mặc dù tồn tại với lượng nhỏ có thể mang tính độc hại và nguy hiểm đối với sức khỏe cộng đồng. Mặc dù, Việt Nam đã có nhiều công nghệ xử lý chất thải rắn như: tận dụng khí từ bãi chôn lấp để phát điện, đốt bỏ thông thường trực tiếp, đốt tầng sôi…[2].
Nhưng đến nay, tại hầu hết các địa phương, việc xử lý rác thải sinh hoạt bằng hình thức phổ biến là chôn lấp, chiếm trên 70%, và đốt thủ công chiếm 28%. 1 Mô hình chôn lấp chất thải rắn tiêu biểu 6 Thành phần khí chủ yếu Thành phần các khí chủ yếu sinh ra từ bãi chôn lấp bao gồm NH3, CO2, CO, H2, H2S, CH4, N2 và O2 [4]. Tỷ lệ thành phần các khí này được trình bày trong Bảng 1. Phân tử lượng và khối lượng riêng của các khí này được trình bày trong Bảng 1.