ĐỘNG CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU DUAL FUEL BIOGAS-DIESEL
NCS. Lê Minh Tiến
GATEC
Việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch đã gây ô nhiễm nặng nề bầu khí quyển. CO2, sản phẩm cháy của nhiên liệu hóa thạch là chất khí gây hiệu ứng nhà kính, thủ phạm chính làm tăng nhiệt độ mặt đất dẫn đến tình trạng biến đổi khí hậu và mực nước biển dâng, đe dọa cuộc sống của nhân loại. Mặt khác nguồn nhiên liệu hóa thạch trong lòng đất có giới hạn. Sự khai thác cường độ cao trong những thập niên gần đây đã làm cho nguồn năng lượng này cạn kiệt nhanh chóng. Sự gia tăng giá dầu mỏ trong thời gian gần đây đã phản ảnh thực trạng này. Khả năng tìm thấy nguồn dầu mỏ lớn có thể khai thác thương mại như trong quá khứ hầu như không còn hy vọng.
Một câu hỏi đặt ra là khi nhiên liệu hóa thạch cạn kiệt thì loài người sẽ sử dụng nguồn năng lượng nào để thay thế. Năng lượng hạt nhân từ lâu được xem là cứu cánh nhưng những thảm họa hạt nhân ở Chernobyl năm 1986 và Fukushima năm 2011 đã làm cho người ta đặt lại vấn đề. Nước Đức đã tuyên bố từ bỏ hoàn toàn năng lượng hạt nhân vào năm 2022, nước Nhật cũng đang xem xét đóng cửa các nhà máy hạt nhân từ sau thảm họa kép động đất-sóng thần-hạt nhân… chỉ còn nguồn năng lượng tái tạo có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời là có thể đảm bảo duy trì nền văn minh nhân loại cho đến khi hệ Mặt trời biến mất!
Ở nước ta, biogas là nguồn năng lượng tái tạo dồi dào. Việc nghiên cứu công nghệ sử dụng chúng có ý nghĩa quan trọng trọng việc tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và giảm mức độ phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính vào bầu khí quyển.
Trong công trình này chúng tôi đã nghiên cứu công nghệ chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu biogas-diesel và lấy động cơ VIKYNO EV2600 làm đối tượng nghiên cứu chính. Nghiên cứu được tiến hành trước tiên bằng tính toán mô phỏng quá trình cung cấp hỗn hợp và quá trình cháy dựa trên nền phần mềm FLUENT. Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện trên băng thử công suất động cơ FROUDE. Kết quả thực nghiệm trong môt số trường hợp tiêu biểu cho phép chúng ta điều chỉnh các thông số của mô hình cho phù hợp. Từ đó chúng ta có thể tính toán mô phỏng nhiều trường hợp vận hành khác nhau của động cơ trong thực tế.
Kết quả cuối cùng của công trình là sản phẩm động cơ lưỡng nhiên liệu biogas-diesel mẫu, compact, được cải tạo từ động cơ diesel nguyên thủy VIKYNO EV2600 có thể áp dụng được trong thực tiễn. Công nghệ cải tạo động cơ này có thể được áp dụng trên nhiều chủng loại động cơ khác nhờ các chương trình tính toán mô phỏng trong FLUENT đã được thiết lập.
Kết quả nghiên cứu cho phép chúng ta rút ra được những kết luận sau đây:
1. Biogas là năng lượng tái sinh có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời nên việc sử dụng năng lượng này không làm tăng nồng độ các chất khí gây hiệu ứng nhà kính trong khí quyển. Sự hiện diện của CO2 trong biogas làm giảm nhiệt trị nhiên liệu, làm giảm tốc độ cháy tuy nhiên nó làm tăng tính chống kích nổ của nhiên liệu, cho phép tăng tỉ số nén của động cơ. Vì vậy trong những trường hợp sử dụng biogas tại nơi sản xuất, chúng ta không cần phải lọc bỏ CO2. Điều này cho phép chúng ta giảm được chi phí vận hành hệ thống cung cấp biogas cho động cơ.
2. H2S là chất có hại nhất trong biogas. Đối với nhiên liệu biogas sử dụng cho động cơ tĩnh tại, hàm lượng H2S cho phép tối đa là 1000ppm. Với yêu cầu này chúng ta chỉ cần sử dụng những phương pháp hấp phụ rẻ tiền thay vì phải sử dụng các phương pháp hấp thụ bằng hóa chất đắt tiền để lọc H2S. Vật liệu hấp phụ có thể là quặng sắt, đất chứa sắt như bentonite, đá ong… hay phoi tiện sắt.
3. Việc chuyển đổi động cơ diesel truyền thống sang chạy bằng biogas có thể được thực hiện theo phương pháp động cơ đánh lửa cưỡng bức, phương pháp động cơ nhiên liệu kép (dual fuel) hay phương pháp động cơ lưỡng nhiên liệu biogas-diesel. Phương pháp nhiên liệu kép sử dụng một lượng phun diesel tối thiểu để làm ngọn lửa mồi đánh lửa động cơ. Trong vận hành lượng phun tối thiểu cần thiết để đánh lửa chỉ chiếm khoảng dưới 10% lượng phun khi động cơ chạy bằng diesel ở chế độ định mức. Tuy nhiên để vòi phun không quá nóng trong quá trình hoạt động bằng biogas, lượng phun tối thiểu cần được duy trì ở mức khoảng từ 15% đến 20% lượng phun diesel ở chế độ định mức. Phương pháp động cơ lưỡng nhiên liệu biogas-diesel về mặt nguyên lý giống như động cơ nhiên liệu kép nhưng về mặt kết cấu động cơ có 2 bộ điều tốc điều khiển độc lập nhiên liệu diesel và nhiên liệu biogas. Với kết cấu này, động cơ có thể sử dụng lại diesel khi cần thiết. Phương án này rất phù hợp đối với những nơi có nguồn cung cấp biogas hạn chế.
4. Động cơ lưỡng nhiên liệu biogas-diesel có thể sử dụng bộ điều tốc biogas rời lắp bên ngoài động cơ hay bộ điều tốc compact lắp trực tiếp vào cơ cấu truyền động bên trong động cơ. Trường hợp thứ nhất đơn giản, động cơ nguyên thủy không phải cải tạo gì nhiều nhưng cồng kềnh trong dẫn động. Trường hợp thứ hai phải cải tạo nắp máy và các trục phụ động cơ. Phương án này tuy phức tạp trong cải tạo nhưng động cơ gọn và vận hành đơn giản. Đối với cả hai phương án này, bộ điều tốc diesel không thay đổi, bộ điều tốc biogas tác động lên bướm gia điều khiển lưu lượng nhiên liệu cung cấp vào bộ tạo hỗn hợp.
5. Bộ tạo hỗn hợp kiểu venturi có đặc tính cung cấp nhiên liệu phù hợp với yêu cầu làm việc của động cơ dual fuel biogas/diesel. Tính toán mô phỏng dòng chảy qua bộ tạo hỗn hợp cho phép chúng ta xác định được các kích thước cơ bản của bộ phận này ứng với động cơ có kích cỡ khác nhau. Kết quả tính toán mô phỏng cho thấy độ đậm đặc của hỗn hợp giảm khi tốc độ động cơ tăng. Khi hàm lượng CH4 trong biogas càng thấp thì tốc độ giảm càng cao. Tuy nhiên về mặt giá trị tuyệt đối mức độ giảm của của độ đậm đặc rất bé, không ảnh hưởng đến quá trình cháy của động cơ. Đối với các nhiên liệu biogas có hàm lượng CH4 từ 60% đến 90%, ta có thể xem giá trị fgiảm từ 1 (n=1000 vòng/phút) xuống 0,96 (n=2400 vòng/phút). Trong thực tế sử dụng của động cơ tĩnh tại, động cơ chủ yếu làm việc ở vùng tốc độ định mức. Do đó để động cơ có thể phát hết công suất ở chế độ tốc độ này, ta cần thiết kế bộ tạo hỗn hợp sao cho giá trị f=1 ở tốc độ định mức. Ở vùng tốc độ thấp, hỗn hợp sẽ trở nên đậm hơn chút ít, nhưng không ảnh hưởng lớn đến quá trình cháy.
6. Có thể thiết lập mô hình tính toán mô phỏng quá trình cháy động cơ nhiên liệu kép biogas-diesel dựa trên nền phần mềm động lực học lưu chất FLUENT với mô hình rối k-etiêu chuẩn, mô hình cháy Partial Premixed, mô hình tia phun mồi có thể chọn gần đúng theo dạng hình trụ với năng lượng đánh lửa bằng năng lượng do tia phun diesel cung cấp. Thành phần nhiên liệu và đặc trưng nhiệt động học của hỗn hợp được thiết lập và lưu trữ dưới dạng file pdf theo nhiệt độ và áp suất để truy xuất trong quá trình tính toán nhằm rút ngắn thời gian tính. Kết quả tính toán mô phỏng đường đặc tính ngoài động cơ VIKYNO-EV2600 khi chạy bằng biogas theo phương án nhiên liệu kép phù hợp với kết quả thực nghiệm trên băng thử công suất FROUDE
7. Công suất động cơ nhiên liệu kép có thể lớn hơn công suất của động cơ này khi chạy hoàn toàn bằng diesel. Ở chế độ tốc độ định mức của động cơ nhiên liệu kép, chúng ta có thể sử dụng biogas nghèo, không cần lọc CO2, mà vẫn đảm bảo được công suất cực đại của động cơ nguyên thủy trước khi chuyển đổi. Điều này là do lượng không khí thừa khi động cơ chạy bằng diesel rất lớn nên chúng ta có thể tăng lượng nhiên liệu biogas cung cấp để tăng công suất động cơ mà không bị hạn chế về độ đậm đặc của hỗn hợp.
8. Góc phun sớm tăng khi hàm lượng CH4 trong nhiên liệu giảm hay khi tốc độ động cơ tăng. Khi động cơ dual fuel biogas-diesel chạy ở tốc độ 2000 vòng/phút sử dụng biogas chứa 70% thể tích CH4 thì góc phun sớm tối ưu là 30 độ. Trong cùng điều kiện vận hành, nhiệt độ, áp suất cực đại của hỗn hợp cháy trong buồng cháy động cơ dual fuel tăng khi hàm lượng CH4 trong biogas tăng, dẫn đến công dãn nỡ tăng và tăng công suất động cơ. Đối với biogas giàu, công chỉ thị chu trình của động cơ giảm theo thành phần CH4 trong nhiên liệu. Tuy nhiên đối với biogas nghèo, công chỉ thị chu trình giảm nhanh hơn tốc độ giảm thành phần CH4 trong nhiên liệu do chất lượng quá trình cháy bị xấu đi vì nồng độ CO2 trong nhiên liệu tăng nhanh. Trong trường hợp này, cuối quá trình cháy vẫn còn một lượng đáng kể nhiên liệu chưa cháy hết mặc dù độ đậm đặc của hỗn hợp f<1.
9. Kết quả nghiên cứu tổng hợp của luận án này cho phép chúng ta thiết kế các chi tiết, bộ phận để cải tạo động cơ diesel VIKYNO EV2600 thành động cơ lưỡng nhiên liệu biogas-diesel kiểu compact, kết cấu gọn nhẹ, thuận tiện trong sử dụng. Những kết quả nghiên cứu này có thể áp dụng trên các chủng loại động cơ diesel khác để tạo ra sản phẩm công nghiệp mới góp phần tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và bảo vệ môi trường.
