Thử nghiệm khí biogas trên động cơ xe gắn máy

0% và CO khoảng 1% so với giới hạn cho phép của tiêu chuẩn Việt Nam. ABSTRACT Thanks to the gas filter system, H2S is adsorbed by iron oxide and CO2 is absorbed by water, the richness of biogas increases 30% and H2S concentration decreases to 0,5% of its original value. The emission of an 110cc motorcycle engine with gas/gasoline GA5 conversion kit running with this purified biogas takes only 10% of HC limit and 1% of CO limit according to the Vietnamese emission regulation. 1. Tổng quan Nghiên cứu sử dụng các nguồn năng lượng tái sinh từ lâu đã được các nhà khoa học quan tâm, đặc biệt là từ sau khi xảy ra cuộc khủng hoảng năng lượng dầu mỏ năm 1973. Cuộc khủng hoảng sau đó được khắc phục, tuy nhiên nguy cơ của nó vẫn luôn rập rình. Những năm gần đây, giá dầu thô liên tục gia tăng, có lúc đã vượt ngưỡng 70USD/thùng trong năm 2006. Mặc dù các nước xuất khẩu dầu mỏ đã sử dụng hết công suất hiện có để sản xuất nhưng cũng rất khó khăn mới có thể làm hạ nhiệt cơn sốt giá dầu thô. Với mức khai thác như hiện nay, trữ lượng dầu thô trong lòng đất sẽ cạn kiệt trong tương lai không xa. Việc chuyển dần sang sử dụng các loại nhiên liệu không truyền thống đã trở thành chiến lược trong chính sách năng lượng của nhiều quốc gia phát triển [2]. Sự gia tăng các nồng độ các chất ô nhiễm trong bầu khí quyển kể từ khi nhân loại bước vào thời kỳ công nghiệp đã đặt ra những vấn đề hết bức xúc về môi trường. Thủ phạm chính gây ra các chất ô nhiễm trong bầu không khí là sản phẩm cháy của nhiên liệu hóa thạch (than đá, dầu mỏ, khí đốt...). Trong khí thải có những chất trực tiếp gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người như CO, HC, NOx, SO2, bồ hóng... và những chất gây tác động xấu đến môi trường, đặc biệt là CO2, chất khí gây hiệu ứng nhà kính làm tăng nhiệt độ trái đất. Nhiều hội nghị cấp cao quốc tế và khu vực đã bàn giải pháp giảm thiểu CO2 trong sản xuất và đời sống và người ta đã đạt được những thỏa thuận quan trọng trong các công ước quốc tế Kyoto, LaHaye và Việt Nam cũng đã cam kết thực hiện. Theo các Công ước này các quốc gia cần áp dụng các giải pháp rút giảm mức độ phát thải CO2 bằng cách nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, sử dụng các nguồn năng lượng sạch, sử dụng năng lượng tái sinh. Năng lượng tái sinh có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng lý tưởng nhất. Cũng như dầu thực vật, khí biogas là nhiên liệu trung hòa CO2 trong khí quyển. Biogas là kết quả phân hủy các chất hữu cơ trong môi trường thiếu không khí. Các chất hữu cơ (cây cối, rơm rạ, xác sinh vật, các chất thải từ quá trình chế biến thực phẩm...), các chất thải từ quá trình chăn nuôi... Biogas chứa chủ yếu methane (50-70%) và CO2 (25-50%) và các tạp chất khác như H2S. CH4 được mệnh danh là nhiên liệu “sạch”, có nhiệt trị cao. 1m 3 CH4 khi cháy tỏa ra một nhiệt lượng tương đương với 1,3kg than đá, 1,15 lít xăng, 1,7 lít cồn hay 9,7kwh điện. Nếu sử dụng biogas làm nhiên liệu, 1m3 khí biogas có thể cung cấp cho động cơ 1 sức ngựa chạy trong 2 giờ [1]. Vì vậy nếu khí biogas được lọc sạch các tạp chất thì chúng sẽ là nguồn nhiên liệu thay thế rất lý tưởng để chạy động cơ đốt trong trên cơ sở các thành tựu đã đạt được về động cơ sử dụng nhiên liệu khí [5]. Phong trào xây dựng các hầm khi biogas qui mô gia đình và ở các hộ chăn nuôi gia súc ở nước ta cũng đã được phát triển. Khí biogas hiện nay chủ yếu được dùng để thay thế chất đốt. Kết quả đem lại rất tích cực cả về hiệu quả kinh tế lẫn bảo vệ môi trường. Nguồn khí biogas nhận được từ các hầm khí sinh học đã cung cấp năng lượng phục vụ việc đun nấu, do đó hiện tượng chặt phá rừng làm chất đốt ở nông thôn phần nào đã được kiểm soát. Tuy nhiên nhu cầu năng lượng ở nông thôn không phải chỉ dừng lại ở đó. Trong thực tế sản xuất và sinh họat ở nông thôn hiện nay, những động cơ cỡ nhỏ kéo các máy công tác thông thường như bơm nước, phát điện, xay xát, máy lạnh để bảo quản sản phẩm nông nghiệp... có nhu cầu sử dụng rất lớn. Sử dụng khí biogas để chạy các loại động cơ này sẽ giúp cho người nông dân tiết kiệm được chi phí năng lượng, giảm giá thành sản xuất và góp phần tích cực vào việc cải thiện đời sống người dân. Trên thế giới người ta đã sản xuất những động cơ cỡ lớn sử dụng khí biogas của các bãi rác làm nhiên liệu để sản xuất điện năng. Tuy nhiên các động cơ cỡ nhỏ (công suất nhỏ hơn khoảng 7kW) chạy bằng khí biogas chưa được nghiên cứu phát triển. Từ năm 1995, Bộ môn Động Lực Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng đã hình thành nhóm nghiên cứu động cơ sử dụng nhiên liệu khí. Hơn 10 năm nay, nhóm này đã nghiên cứu thành công và đưa ra thị trường bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu LPG/xăng cho xe gắn máy [3], [4]. Kết quả này cũng được ứng dụng trên tàu thuyền nhỏ chạy trên sông sử dụng khí dầu mỏ hóa lỏng LPG. Trên cơ sở những kinh nghiệm và kết quả đã đạt được đối với xe gắn máy chạy bằng ga, chúng ta có thể nghiên cứu chế tạo bộ phụ kiện cho phép chuyển đổi động cơ tĩnh tại cỡ nhỏ chạy bằng xăng sang chạy bằng khí biogas. Nước ta có hơn 80% dân số sống ở nông thôn. Việc tận dụng các nguồn năng lượng tại chỗ cho sản xuất sẽ giúp cho nông dân tiết kiệm được kinh phí, làm giảm giá thành sản phẩm, tăng thu nhập cho người dân. Sử dụng động cơ nhiệt chạy bằng khí biogas để kéo máy công tác trong sản xuất và đời sống ở nông thôn vì vậy có ý nghĩa rất thiết thực. Mặt khác việc sử dụng nguồn năng lượng này trong sản xuất và đời sống còn góp phần giảm thiểu chất thải, bảo vệ tài nguyên và môi trường. 2. Khử tạp chất của khí biogas Thành phần của khí biogas tại một số hầm biogas trên địa bàn Thành phố Đà Nẵng như bảng 1. Bảng 1. Thành phần trung bình khí biogas ở một số cơ sở sản suất trên địa bàn Đà Nẵng CH4% CO2% H2S% N2% H2O% H2% 68 22,9 5 3 0,1 1 Hai tạp chất quan trọng trong khí biogas là H2S và CO2. H2S sau khi cháy sẽ tạo ra SOx gây ăn mòn các chi tiết kim loại của động cơ và làm ô nhiễm môi trường không khí. Sự hiện diện của khí CO2 trong biogas làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu. Ngoài ra trong biogas còn có một số tạp chất khác nhưng hàm lượng của chúng bé, gây ảnh hưởng không đáng kể đến quá trình cháy, tuổi thọ của động cơ. Vì vậy để có thể sử dụng khí biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong, chúng ta cần khử hai chất H2S và CO2. Việc loại bỏ H2S trong thực tế thường được thực hiện bằng phương pháp hấp phụ. Trong phòng thí nghiệm, để khử H2S với hàm lượng bé (như mẫu khí trước khi đưa qua máy phân tích...) người ta thường dùng oxit kẽm làm chất hấp phụ. Phản ứng khử H2S được viết như sau: ZnO + H2S = ZnS + H2O (1) Khi oxít kẽm bão hòa, người ta thay hoàn toàn vật liệu mới chứ không hoàn nguyên vì tính kinh tế thấp. Để khử H2S với qui mô lớn hơn, người ta dùng oxít sắt. Quá trình hấp phụ và nhả hấp phụ H2S trên oxít sắt được biểu diễn bằng các phản ứng sau: - Hấp phụ: Fe2O3 + 3H2S = Fe2S3 + 3H2O (2) - Nhả hấp phụ: 2Fe2S3 + 3O2 = 2Fe2O3 +6S (3) Tốc độ phản ứng hấp phụ H2S của sắt oxit phụ thuộc vào mức độ tiếp xúc giữa khí và bề mặt vật liệu hấp phụ. Do đó để nâng cao tốc độ phản ứng, độ rỗng (xốp) của vật liệu hấp phụ phải lớn. Điều kiện lý tưởng cho phản ứng hấp phụ H2S bằng oxit sắt là nhiệt độ nằm trong khoảng 28 ÷ 30oC và độ ẩm của vật liệu hấp phụ khoảng 30%. Ngoài oxit sắt người ta còn có thể sử dụng quặng bùn có chứa sắt (III) hydroxit để khử H2S theo phản ứng sau: 3H2S + 2Fe(OH)3 = Fe2S3 +H2O + 62,5 kJ/mol (4) Phản ứng trên diễn ra tốt nhất trong điều kiện nhiệt độ 28 ÷ 30oC, độ ẩm vật liệu khoảng 30%. Sau khi bão hòa, vật liệu hấp phụ được hoàn nguyên bằng oxy trong không khí với sự tham gia của hơi nước. Kết quả thu được là hydroxit sắt và lưu huỳnh đơn chất theo phản ứng: 2Fe2S3 + 3O2 +6H2O = 4Fe(OH)3 + 6S +606 kJ/mol (5) Thể tích không khí cấp cho quá trình hoàn nguyên được điều chỉnh tuỳ theo nhiệt độ và hàm lượng oxy trong hỗn hợp khí đi vào hệ thống lọc. Vật liệu hấp phụ được xem là hết tác dụng khi hàm lượng lưu huỳnh chiếm 50% khối lượng vật liệu. Lưu huỳnh tích tụ trong vật liệu hấp phụ dần dần bao bọc các hạt Fe(OH)3 và gây cản trở cho sự thâm nhập của H2S vào bề mặt của các hạt vật liệu hấp phụ. Đối với việc loại trừ khí CO2 ra khỏi biogas, phương pháp đơn giản nhất là sử dụng nước làm chất hấp thụ. Quá trình hấp thụ và nhả hấp thụ của nước đối với CO2 dựa trên các phản ứng sau: - Ở nhiệt độ thường: H2O + CO2  H2CO3 (hấp thụ) (6) - Ở nhiệt độ cao hơn: H2CO3  H2O + CO2 (nhả hấp thụ) (7) 3. Hệ thống xử lý khí biogas để chạy động cơ đốt trong Sơ đồ công nghệ của hệ thống khử tạp chất khí biogas được trình bày trên hình 1. Trên cơ sở nguyên lý loại trừ H2S và CO2 trên đây, trong sơ đồ này, chúng tôi chọn phương pháp đơn giản nhất để thực hiện việc loại bỏ hai chất trên, đó là dùng oxít sắt để khử H2S và dùng nước để khử CO2. Khí biogas từ bể sinh khí được dẫn đến bình tách ẩm để ngưng tụ hơi nước chứa trong nhiên liệu. Sau đó nó được dẫn qua hệ thống lọc tạp chất. Để khử H2S, chúng tôi sử dụng phoi tiện sắt làm chất hấp phụ (hình 2). Phoi sắt trong môi trường không khí bị oxy hóa thành oxít sắt Fe2O3. Quá trình hấp phụ và nhả hấp phụ theo phản ứng (2), (3). Hệ thống khử H2S gồm hai bình lọc đặt song song. Nhờ hệ thống van, một trong hai cột lọc này có thể dừng lại để hoàn nguyên hay thay thế vật liệu hấp phụ mới mà không gây cản trở cho việc cung cấp khí biogas. Hoàn nguyên lọc được thực hiện nhờ thổi không khí ấm qua lõi lọc phoi tiện. Nhiệt lượng cung cấp cho không khí có thể lấy từ hệ thống làm mát hay hệ thống thải của động cơ. Sau khi qua bình lọc H2S, khí biogas được dẫn đến hệ thống khử CO2. Hệ thống này gồm bình hấp thụ và bình nhả hấp thụ. Khí biogas có chứa CO2 và sương nước chuyển động ngược chiều trong cột hấp thụ có đường kính 0,25m và chiều cao 3m (hình 3). Sau khi hấp thụ CO2, nước được gia nhiệt và được bơm lên cột nhả hấp thụ để giải phóng CO2. Nước sạch thu lại trong bình nhả hấp thụ được bơm tuần hoàn trở lại trong hệ thống. Nhiệt lượng cung cấp cho hệ thống này có thể lấy từ hệ thống làm mát hay hệ thống thải của động cơ. Hình 2. Lõi lọc H2S bằng phoi tiện Ống PVC D=0,25m, H=3m Nước Biogas+hơi nước Biogas Nước + CO2 Quan sát mực nước Đệm xốp Hình 3. Sơ đồ cột hấp thụ CO2 bằng nước CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 Khê chaûy âäüng cå 88.9% CH4 H2O saûch Bçnh âiãöu aïp Bçnh taïch áøm H2O bäø sung Láúy máúu thæí Âãún thiãút bë taïch CO2 V-12 Næåïc ræía chæïa S GAS HOLDER V-01 gh V-16 V-09 V-07 V-05 V-06V-04 V-03 V-02 V-15 V-14 V-12V-13 V-11 V-17 V-10 V-08 Næåïc ræía S K h ä n g k h ê la ìm m aït â ä ün g c å Khäng khê noïng TO WATER DRAIN SÅ ÂÄÖ HÃÛ THÄÚNG THIÃÚT BË XÆÍ LYÏ KHÊ BIOGAS FROM GAS HOLDER Thiãút bë háúp phuû Thiãút bë taïi sinh Thiãút bë taïch H2O Thiãút bë thiãøn thë H2O Næåïc chæïa CO2 Hình 1. Sơ đồ hệ thống lọc tạp chất của khí biogas Trước khi đưa vào động cơ, khí biogas được dẫn qua bình tách ẩm và bình điều hòa. Toàn bộ hệ thống thí nghiệm xử lý tạp chất trong khí biogas được giới thiệu trên hình 4. Kết quả phân tích khí biogas trước khi vào lọc, sau khi qua lọc H2S và sau khi ra khỏi hệ thống lọc như trên bảng 2. Kết quả này cho thấy hàm lượng CH4 tăng từ 69,33% lên 88,09% (tăng 30% so với giá trị ban đầu) do hàm lượng khí CO2 đã bị nước hấp thụ (giảm từ 20,63% xuống 8,3%). Hàm lượng H2S chỉ còn 0,023%, tức chỉ bằng 0,5% so với hàm lượng của nó trong khí biogas trước khi qua lọc. Hàm lượng H2S tiếp tục giảm sau khi qua cột hấp thụ CO2 vì một bộ phận tạp chất này cũng bị nước hấp thụ. Bảng 2. Thành phần khí biogas sau khi qua lọc Cấu tử Trước lọc (%vol) Sau lọc H2S (%vol) Sau lọc CO2 (%vol) CH4 69,33 73,243 88,09 CO2 20,63 23,092 8,3 H2S 5,32 0,270 0,023 N2 1,00 1,071 1,26 O2 1,55 0,000 0,000 CO 0,10 0,107 0,132 H2O 0,10 0,107 0,088 H2 1,97 2,110 2,520 TOTAL 100,00 100,00 100,00 Khí biogas sau khi xử lý được cung cấp cho động cơ xe gắn máy 110cc với bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu GA5. Hình 5 là ảnh chụp động cơ xe gắn máy được cung cấp khí biogas. Kết quả bước đầu cho thấy động cơ làm việc bình thường, chạy êm và rất dễ khởi động. Thử nghiệm định tính bằng phanh của xe không cho thấy sự khác biệt nào về công suất khi xe chạy bằng biogas và khi chạy bằng LPG. Kết quả phân tích khí thải động cơ xe gắn máy chạy bằng biogas được giới thiệu trên bảng 3. Theo TCVN, ở chế động không tải, giới hạn cho phép của HC là 1200ppm và CO là 4,5%. Nếu xem chế độ này ứng với khi động cơ làm quay bánh xe không tải 200 vòng/phút thì khi chạy bằng biogas, mức độ phát thải của động cơ chỉ bằng 10% đối với HC và 1% đối với CO so với giới hạn cho phép của TCVN. Điều này cho thấy sử dụng biogas để chạy động cơ là rất lý tưởng về mặt bảo vệ môi trường. Tương tự như khi sử dụng khí thiên nhiên, khó khăn cần phải giải quyết là tìm kiếm công nghệ lưu trữ biogas Hình 4. Ảnh chụp hệ thống xử lý H2S và CO2 thí nghiệm Hình 5. Chạy thử nghiệm biogas trên động cơ xe gắn máy 110cc với bộ phụ kiện GA5 trên phương tiện vận tải. Điều này không gây trở ngại cho việc ứng dụng biogas trên động cơ tĩnh tại. Bảng 3. Kết quả phân tích khí xả động cơ xe gắn máy chạy bằng biogas Tốc độ quay bánh xe (v/ph) không tải Tốc độ quy đổi (km/h) Hàm lượng khí xả HC (ppm) CO(%vol) CO2(%vol) 200 18.85 102.00 0.04 2.56 300 28.27 738.00 0.08 2.38 450 42.41 644.00 0.09 2.80 4. Kết luận 1. Hấp phụ H2S bằng oxít sắt và hấp thụ CO2 bằng nước là giải pháp đơn giản và có hiệu quả để xử lý tạp chất, làm giàu khí biogas để làm nhiên liệu cung cấp cho động cơ đốt trong. 2. Mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ xe gắn máy với bộ phụ kiện GA5 chạy bằng khí biogas sau khi qua hệ thống lọc này rất thấp, nồng độ HC chưa tới 10% và nồng độ CO chưa tới 1% so với giới hạn cho phép của tiêu chuẩn Việt Nam. 3. Sử dụng khí biogas để chạy động cơ tĩnh tại là giải pháp hữu hiệu về tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường ở nông thôn. Để áp dụng loại nhiên liệu tái sinh này trên phương tiện vận tải, vấn đề quan trọng cần phải nghiên cứu là công nghệ lưu trữ biogas. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] BUI VAN GA: Xe gắn máy sạch. Tạp chí Giao thông Vận tải số 1+2-2005, pp. 75-77. [4] BUI VAN GA, TRAN DIEN: So sánh đặc tính của động cơ 100cc khi chạy bằng xăng và bằng LPG với bộ phụ kiện DATECHCO-GA5. Tạp chí Giao thông Vận tải, số 7, pp. 15-17, 2006. [5] BUI VAN GA, TRAN VAN NAM: Combustion of LPG-Air Lean Mixture: A solution for pollution reduction of motorcycles in Vietnam. The 6 th General Seminar of the Core University Program “Environmental Science and Technology for sustainability of Asia, Kumamoto, Japan, 2-4 October 2006, pp. 361-367.