Nâng cấp TK VIP tải tài liệu không giới hạn và tắt QC

HỆ THỐNG CUNG CẤP KHÍ BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ KÉO MÁY PHÁT ĐIỆN 2HP

Tham khảo tài liệu 'hệ thống cung cấp khí biogas cho động cơ kéo máy phát điện 2hp', kỹ thuật - công nghệ, điện - điện tử phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

22-10-2012 277 66
Download
Xem online
QUẢNG CÁO

Tóm tắt nội dung tài liệu

  1. HỆ THỐNG CUNG CẤP KHÍ BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ KÉO MÁY PHÁT ĐIỆN 2HP BIOGAS SUPPLYING SYSTEM FOR A GROUP 2HP SPARK IGNITION ENGINE-GENERATOR BÙI VĂN GA – TRƯƠNG LÊ BÍCH TRÂM Trung tâm NCBVMT, Đại học Đà Nẵng TRƯƠNG HOÀNG THIỆN – PHẠM DUY PHÚC – ĐẶNG HỮU THÀNH Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng JULIAND ARNAUD Université Corse, France TÓM TẮT Bài báo trình bày hệ thống cung cấp khí biogas hoàn chỉnh cho cụm động cơ đốt trong-máy phát điện 2HP. Khí biogas sau khi qua hệ thống khử H2S và hấp thụ CO2 được cung cấp cho động cơ đánh lửa cưỡng bức nhờ bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu biogas/xăng. Bộ phụ kiện này được phát triển trên cơ sở bộ phụ kiện GA5 sử dụng trên xe gắn máy chạy bằng LPG bằng cách bổ sung thêm bộ điều tốc phụ. Nhờ vậy động cơ có thể làm việc ổn định ở tất cả các chế độ tải khác nhau của máy phát. ABSTRACT The paper presents a complete biogas supplying system for a group 2HP spark ignition engine-generator. The biogas after passing H2S treatment apparatus and CO2 absorption column is supplied to the spark ignition engine by biogas/gasoline conversion kit. The kit is developed on the basis of GA5 LPG/gasoline conversion kit of motorcycles by adding the supplementary regulator. Thanks to the system, the engine can be stabilized at any load regime of the generator. 1. GIỚI THIỆU Trong những năm gần đây, người dân ở nông thôn nước ta đã bắt đầu quen dần với việc sử dụng biogas làm chất đốt. Các hầm biogas này một mặt, cung cấp chất đốt cho người dân và mặt khác, giúp người dân xử lý các chất thải từ chăn nuôi và các hoạt động sản xuất khác, góp phần bảo vệ tài nguyên và môi trường. Tuy nhiên việc sử dụng biogas để đun nấu chỉ mới đáp ứng được một phần tiện ích vì người dân cần nhiều năng lượng hơn để chạy các máy công tác phục vụ sản xuất. Vì vậy việc sử dụng biogas để chạy động cơ đốt trong cỡ nhỏ sẽ góp phần đáng kể vào việc cải thiện đời sống của người dân ở nông thôn. Biogas chứa phần lớn methane (50-75%), ngoài ra còn có CO2 (25-50%), H2 (0-1%), H2O (0-1%) và H2S (0-3%). Trong các thành phần trên, H2S dù chỉ chiếm một tỉ lệ rất nhỏ, nhưng là khí có hại nhất. Khi sử dụng để nấu bếp, H2S gây ăn mòn các ống dẫn, bếp nấu, và làm cho biogas có mùi hôi khó chịu. H2S khi cháy tạo thành SO2 cũng là khí độc hại đối với sức khỏe con người. Khi sử dụng cho động cơ, H2S gây ăn mòn các chi tiết của đường ống a. b. Hình 1: Phoi sắt trước khi bị oxy hóa nạp-thải và buồng cháy, làm giảm tuổi thọ của động (a) và sau khi bị oxy hóa (b)
  2. cơ. Khí CO2 tuy không gây ăn mòn như H2S, nhưng sự hiện diện của nó với hàm lượng lớn làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu. Thành phần hơi nước cũng gây ảnh hưởng tương tự như CO2. Trong các công trình trước đây chúng tôi đã tinh luyện khí biogas để chạy thử nghiệm trên động cơ xe gắn máy [4], [5]. Bài báo này trình bày một hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas hoàn chỉnh cho động cơ tĩnh tại kéo máy phát điện cỡ nhỏ có công suất 2HP bao gồm hệ thống lọc biogas đơn giản, bộ tạo hỗn hợp nhiên liệu khí và bộ điều tốc phụ kiểu điện từ. 2. HỆ THỐNG LỌC BIOGAS 2.1. Thiết bị tách H2S Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng phoi sắt để tách H2S [1], [3]. Chất này được EPA (Cục bảo vệ môi trường Mỹ) chứng nhận không gây ô nhiễm nguồn nước ngầm và có thể thải trực tiếp ra các bãi rác [2]. Trước khi sử dụng, phoi sắt được oxy hóa để tạo thành một lớp oxyt sắt trên bề mặt. Quá trình này có thể thực hiện một cách tự nhiên bằng cách phơi phoi sắt ngoài không khí một thời gian hoặc đốt để tăng tốc độ oxy hóa. Phản ứng oxy hóa phoi sắt diễn ra như sau: Fe + 1/2 O2 FeO 2Fe + 3/2O2 Fe2O3 3Fe + 2O2 Fe3O4 Oxyt sắt tạo thành là hỗn hợp của các oxyt FeO, Fe2O3, Fe3O4. Các phản ứng trên có thể được xúc tiến nhanh hơn bằng cách tưới nước trên phoi sắt. Quá trình oxy hóa sắt đạt yêu cầu khi bề mặt phoi sắt chuyển từ màu xám sang màu vàng xốp, hoặc đỏ xốp Hình 2: Thiết bị tách H2S (hình 1). Khi khí biogas đi qua thiết bị lọc chứa oxyt sắt, H2S được tách ra theo các phản ứng sau: Ống φ23 Fe2O3 + 3H2S Fe2S3 + 3H2O Lối ra của biogas Lối vào Fe3O4 + 4H2S FeS+Fe2S3 + 4H2O Ống φ60 của nước FeO + H2S FeS + H2O Đệm Khả năng tách H2S của thiết bị giảm dần theo thời gian. Sau 1 tuần sử dụng đầu tiên (trung bình 4 giờ/ngày), khả năng khử của thiết bị đạt trên 99,4%. Sau 1 tháng sử Thân φ114 2500 dụng, hiệu suất của thiết bị vẫn còn đạt trên 98%. Khi hiệu suất của thiết bị giảm thấp, chúng ta có thể tái sinh lõi lọc Đĩa đục lỗ bằng cách phơi phoi sắt ngoài không khí. Phản ứng tái sinh Lối vào của biogaz diễn ra như sau: 150 Fe2S3 + O2 Fe2O3 + 3S Ống φ60 FeS + O2 FeO + S Ống φ42 Phản ứng trên là phản ứng tỏa nhiệt, có thể tự xảy ra trong điều kiện nhiệt độ môi trường. Để gia tốc quá trình tái Lối ra của nước sinh, chúng ta có thể đốt phoi sắt đã sử dụng trong 15 phút. Hình 3: Tháp tách CO2 Tuy nhiên quá trình này tạo ra chất khí ô nhiễm SO2: Fe2S3 + 9/2O2 Fe2O3 + 3SO2 FeS + 3/2O2 FeO + SO2
  3. Phoi sắt có thể được tái sử dụng từ 3-5 lần. Phoi sắt sau khi đốt được trộn với vỏ bào cưa với tỉ lệ 1:1 về thể tích, sau đó được cho vào thiết bị lọc (hình 2). Với lưu lượng biogas là 0,86 m3/h, khối lượng phoi sắt sử dụng là 8kg để lắp đầy một thiết bị bằng PVC có chiều cao 1,5m, đường kính ngoài 200mm. Tổn thất áp suất trung bình khi qua thiết bị tách H2S là 0,3mbar. Thiết bị như trên đã được sử dụng để lọc khí H2S cho nguồn khí biogas tại Trung tâm bảo trợ xã hội, Đà Sơn, Hòa Khánh Nam, Đà Nẵng. Kết quả phân tích khí trước và sau khi đi qua lọc cho ở bảng 1. Chúng ta thấy hiệu suất lọc đạt khá cao (trên 99%). 2.2. Tháp tách CO2 Việc tách CO2 ra khỏi biogas được thực hiện dựa vào tính chất hấp thụ khí carbonic của nước. Nguyên lý của phương pháp này là cho khí tiếp xúc ngược chiều với nước trong đó, khí đi từ dưới lên, còn nước chảy từ trên xuống. Để tăng cường sự tiếp xúc của khí và nước, nhóm đã sử dụng các vật liệu trơ như gỗ, đá, gạch để làm đệm. Để cố định lớp đệm trong bên trong tháp, nhóm đã sử dụng một đĩa đục lỗ bằng mica, đặt ở phần dưới của tháp. Với kích thước tháp tách CO2 như hình 3, lưu lượng biogas là 0,86 m3/h, thành phần CO2 ở đầu vào tháp là 36,47%, thành phần CO2 ở đầu ra của tháp là 19,22%, chúng ta đạt được hiệu quả xử lý CO2 là 47,30%. Tổn thất áp suất khi đi qua thiết bị hấp thụ CO2 là 5mbar. Bảng 1: Hiệu quả lọc H2S Sau 1 giờ sử dụng Sau 20 giờ sử dụng Hình 4: Toàn cảnh thiết bị Trước xử Trước xử lọc biogas tại Trung tâm Sau xử lý Sau xử lý lý lý bảo trợ xã hội Đà Sơn Hàm lượng 0,17 0,0005 0,20 0,001 H2S (mg/l) ppm thể tích 112 0,33 132 0,66 3. HỆ THỐNG CUNG CẤP KHÍ BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ KÉO MÁY PHÁT ĐIỆN Khí biogas sau khi qua hệ thống lọc H2S và CO2 trên đây có đủ tiêu chuẩn để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Trong nghiên cứu này, khí biogas sau khi qua lọc được dùng để cung cấp điện cho động cơ 2 mã lực kéo máy phát điện. Yêu cầu cơ bản của hệ thống cung cấp nhiên liệu trong trường hợp này là phải đảm bảo dòng điện phát ra có tần số không thay đổi (50Hz) ở bất kỳ chế độ tải nào của máy phát. Khi tải cản bên ngoài ít dao Bộ phụ kiện động, về nguyên lý chúng ta có thể dùng bộ phụ kiện GA5 chuyển đổi nhiên liệu LPG/xăng GA5 [6], [7] để cung Hình 5: Cụm động cơ-máy phát cấp nhiên liệu biogas cho động cơ tĩnh tại. Kết quả thử điện 4HP chạy bằng biogas với nghiệm lắp đặt bộ phụ kiện GA5 trên động cơ kéo máy bộ phụ kiện GA5 [8] phát điện 4HP chạy bằng biogas (hình 5) cho thấy hệ
  4. thống làm việc tốt khi tải bên ngài không thay đổi [8]. Khi tăng tải đột ngột (như khi khởi động động cơ máy bơm nước chẳng hạn) thì động cơ đốt trong bị lịm máy và tắt. Điều này dễ hiểu vì khi tăng tải đột ngột, tốc độ động cơ giảm, mặt dù bộ điều tốc nguyên thủy của động cơ mở rộng bướm ga nhưng do độ chân không tại họng bé, không đủ sức mở van công suất, kết quả là động cơ chết máy do hỗn hợp quá nghèo. Để hoàn thiện hệ thống cung cấp khí biogas cho động cơ tĩnh tại, trong nghiên cứu này, chúng tôi bổ sung thêm bộ điều tốc phụ vào bộ phụ kiện GA5. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống tạo hỗn hợp cho động cơ đốt trong kéo máy phát điện chạy bằng khí biogas được giới thiệu trên hình 6. Hệ thống gồm van công suất 1 với vòi phun chính 3 đặt tại họng bộ chế hòa khí; Van không tải 11 với vòi ziclơ không tải 10 nối thông với lỗ cấp khí 6 đặt sau bướm ga; Van làm đậm kiểu điện từ 12 với ziclơ làm đậm 9 mắc song song với cụm 11, 10; Mạch điều khiển van điện từ 14 được cung cấp điện một chiều 12 volts thông qua các cực 13 và nhận tín hiệu từ máy phát điện thông qua đầu nối 15. Hệ thống cung cấp nhiên liệu xăng nguyên thủy của động cơ không thay đổi gồm bộ chế hòa khí 7, khóa xăng 8, bướm gió khởi động 2, bướm ga 5 được điều khiển bởi bộ điều tốc thông qua cánh tay đòn 4. Nguyên lý hoạt động của hệ thống được mô tả tóm tắt như sau: - Khi động cơ chạy bằng xăng, khóa ga cung cấp cho hệ thống ở vị trí đóng, khóa xăng mở, động cơ hoạt động bình thường như trước khi cải tạo. - Khi chạy bằng biogas, khóa xăng đóng, khóa ga mở, khí biogas sau khi qua lọc được đưa vào hệ thống ở đầu ống 16. - Khi động cơ khởi động động cơ, van điện từ 12 ở vị trí đóng, độ chân không phía sau bướm ga lớn mở van không tải thông qua ziclơ không tải 10 cung cấp cho động cơ một lượng ga tối thiểu đảm bảo cho động cơ làm việc ổn định ở chế độ không tải. - Khi tăng tải từ từ, bộ điều tốc động cơ thông qua tay đòn 4, mở rộng dần bướm ga 5, lượng không khí vào động cơ tăng dần, độ chân không tại họng tăng, thông qua vòi phun chính 3 mở van công suất 1 cung cấp một lượng biogas đủ lớn để mô men động cơ phát ra cân bằng với mô men cản. 5 1 2 4 3 16 15 Không 14 khí 13 Hỗn hợp 12 11 10 8 7 6 9 Hình 6: Sơ đồ nguyên lý hệ thống tạo hỗn hợp cho động cơ đốt trong kéo máy phát điện chạy bằng biogas
  5. - Khi tăng tải đột ngột, tốc độ động cơ bị giảm tức thời khiến độ chân không tại họng bộ chế hòa khí bị tụt, không đủ sức để mở lớn van công suất làm động cơ bị lịm dẫn đến chết máy. Để khắc phục hiện tượng này, nhóm nghiên cứu sử dụng bộ điều tốc phụ gồm van điện từ 12 với mạch điều khiển 14 và ziclơ làm đậm 9 để cung cấp một lượng biogas phụ đảm bảo cho động cơ phát mô men động đủ lớn để thắng sự gia tăng đột ngột của mô men cản. Nguyên lý làm việc của bộ điều tốc phụ như sau. Khi tăng mô men cản đột ngột, điện áp máy phát tụt xuống dưới 200volts. Tín hiệu điện áp được đưa vào mạch điều khiển 14 làm phát sinh một xung điều khiển cung cấp cho cuộn dây của van điện từ 12: van mở một lượng ga phụ qua ziclơ 9 cung cấp vào họng bộ chế hòa khí, duy trì chế độ tốc độ ổn định của động cơ. Khi điện áp máy phát tăng trên 200volts, van điện từ đóng, chế độ công tác của động cơ được khống chế bởi bộ điều tốc chính. Điện áp tác động của bộ điều tốc phụ có thể điều chỉnh nhờ biến trở của mạch điện 14. Ảnh chụp của hệ thống điều tốc phụ kiểu điện từ sử dụng trong thí nghiệm được giới thiệu trên hình 7. Cụm máy phát điện có công suất cực đại 1,5kW, công suất định mức 0,8kW. Trong thí nghiệm này, máy phát cấp điện cho tải ngoài gồm 10 bóng đèn, công suất mỗi bóng là 100W (hình 8). Thí nghiệm được tiến hành ứng với hai trường hợp thay đổi tải bên ngoài. Trường hợp thứ nhất, tải bên ngoài thay đổi từ từ, khi đó các bóng đèn được bật sáng lần lượt. Thí nghiệm cho thấy trong trường hợp này, nếu cô lập bộ điều tốc phụ, động cơ vẫn hoạt động bình thường nhờ van công suất, van không tải và bộ điều tốc chính của động cơ. Trường hợp thứ hai, tải bên ngoài thay đổi đột ngột. Trong trường hợp này, mỗi lần chúng ta bật sáng 5 bóng đèn. Thí nghiệm cho thấy nếu không có bộ điều tốc phụ, động cơ chết máy. Kết quả nghiên cứu này cho thấy bộ điều tốc phụ không thể thiếu trong hệ thống cung cấp khí biogas cho động cơ kéo máy phát điện. Hình 7: Bộ điều tốc phụ kiểu điện từ Hình 8: Thử tải máy phát điện 2HP chạy bằng biogas với bộ điều tốc phụ
  6. 4. KẾT LUẬN 4.1. Để sử dụng làm nhiên liệu cung cấp cho động cơ đốt trong, khí biogas có thể được tinh luyện bằng cách dùng phoi sắt để khử khí H2S (đạt hiệu suất 99%) và dùng nước để hấp thụ khí CO2 (đạt hiệu suất khoảng 50%). Phương pháp tinh luyện này đơn giản, rẻ tiền có khả năng ứng dụng rộng rãi trong điều kiện nông thôn Việt Nam. 4.2. Để đảm bảo cho động cơ kéo máy phát điện chạy bằng biogas làm việc ổn định ở các chế độ tải khác nhau chúng ta cần bổ sung thêm bộ điều tốc phụ vào bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu LPG/xăng GA5 sử dụng trên xe gắn máy. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hydrogen sulfide removal from anaerobic digester gas. Agricultural Wastes, Volume 11, Issue 3, 1984, Pages 167-179. [2] Biogas Utilization Handbook, published by the Environment, Health and Safety Division, Georgia Tech Research Institute, Atlanta, Georgia, 1988. [3] http://www.connellygpm.com/ironsponge.html [4] BUI VAN GA, NGO VAN LANH, NGO KIM PHUNG, VENET CEDERIC: Thử nghiệm khí biogas trên động cơ xe gắn máy. Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, số 1(18), pp. 1-5, 2007. [5] BUI VAN GA, NGO VAN LANH, NGO KIM PHUNG: Tinh luyện khí biogas để chạy động cơ đốt trong. Khoa học và Phát triển, Đà Nẵng 4-2007. [6] BUI VAN GA, TRAN VAN NAM: Combustion of LPG-Air Lean Mixture: A solution for pollution reduction of motorcycles in Vietnam. The 6th General Seminar of the Core University Program “Environmental Science and Technology for sustainability of Asia, Kumamoto, Japan, 2-4 October 2006, pp. 361-367. [7] BUI VAN GA: Bằng độ quyền sáng chế số 5940 “Bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu LPG/xăng cho xe gắn máy”. Cục Sở hữu trí tuệ, 2006. [8] NHAN HONG QUANG: Sử dụng biogas để chạy động cơ đốt trong. Đề tài số 206/06TLĐ, Phân viện Bảo hộ lao động và Bảo vệ môi trường Miền Trung-Tây Nguyên, 2007.

 

TOP Download

Tài liệu đề nghị cho bạn:

popupslide2=2Array ( )