Nghiên cứu thử nghiệm sử dụng nhiên liệu nhũ tương để giảm phát thải khí NOx trong động cơ diesel tàu thủy

Bài báo giới thiệu kết quả nghiên cứu thử nghiệm sử dụng nhiên liệu nhũ tương được tạo thành từ hệ thống đồng thể hóa nước và nhiên liệu diesel cho động cơ diesel tàu thủy, nhằm giảm thiểu phát thải NOx trong khí thải của động cơ, đáp ứng Phụ lục VI Công ước Marpol 73/78 về bảo vệ môi trường biển của Tổ chức Hàng hải quốc tế (IMO).

1. Đặt vấn đề

Hiện nay, để giảm thiểu hàm lượng khí NOx trong khí thải động cơ diesel tàu thủy có thể áp dụng một số giải pháp khác nhau như thay đổi quy luật cấp nhiên liệu, hoàn lưu khí thải về đường khí nạp, phun nước dạng sương vào xilanh, sử dụng nhiên liệu nhũ tương, lắp đặt các bộ xúc tác hấp thụ khí thải,... Trong đó, sử dụng nhiên liệu nhũ tương là một trong các giải pháp đang được nghiên cứu thử nghiệm nhằm triển khai ứng dụng cho đội tàu biển Việt Nam. Đã có một số công trình nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước về sử dụng nhiên liệu nhũ tương cho động cơ diesel như: PGS.TS. Phan Minh Tân, TS. Nguyễn Hữu Tuấn, ThS. Phạm Thanh Truyền, Kannan và cộng sự,... Tuy nhiên, trong tất cả các trường hợp, nhiên liệu nhũ tương đều được chuẩn bị trước và lưu trữ trong két chứa, nhưng với động cơ diesel tàu thuỷ có mức tiêu thụ nhiên liệu lớn thì điều đó là không phù hợp. Chính vì vậy việc nghiên cứu giải pháp hoà trộn nhiên liệu liên tục (online) là cần thiết. Để sử dụng nhiên liệu nhũ tương cho động cơ, trong hệ thống nhiên liệu truyền thống của động cơ cần thiết kế lắp đặt thêm thiết bị tạo nhiên liệu nhũ tương cung cấp cho động cơ. Các kết quả thử nghiệm trình bày dưới đây được thực hiện trên động cơ diesel tàu thuỷ Hanshin 6LU32 lắp đặt tại Trung tâm Nghiên cứu hệ động lực thuộc Khoa Máy tàu biển - Trường Đại học Hàng hải Việt Nam.

2. Nội dung chính

2.1. Lựa chọn sơ đồ hệ thống tạo nhiên liệu nhũ tương cho động cơ diesel Hanshin 6LU32

Các thông số kỹ thuật của động cơ Hanshin 6LU32 được thể hiện trong Bảng 1. Sơ đồ hệ thống tạo nhiên liệu nhũ tương cho động cơ Hanshin 6LU32 được mô tả như trên Hình 1: Nhiên liệu từ két trực nhật và nước được đưa vào thiết bị trộn kiểu cánh khuấy (1) tạo ra nhiên liệu tiền nhũ tương với kích thước hạt đạt khoảng 50~100μm; Nhiên liệu từ thiết bị trộn, được bơm (2) cấp vào thiết bị đồng thể hóa (3) với chức năng nghiền cho các hạt nước và nhiên liệu đạt được kích thước 10μm và đảm bảo độ ổn định cao trước khi cấp tới động cơ. Lượng nhiên liệu dư thừa được hồi về thiết bị khuấy để hòa trộn tiếp mà không cần sử dụng thiết bị tách nước.

2.2. Tính toán thiết kế thiết bị trộn liên tục

Bộ trộn được thiết kế thử nghiệm cho động cơ Hanshin 6LU32 với các kết quả tính chọn kích thước của bộ hoà trộn được thể hiện trong Bảng 2.

Trên cơ sở các kích thước tính toán trong Bảng 2, thiết bị trộn kiểu cánh khuấy liên tục đã được thiết kế với hình dạng và các kích thước đặc trưng thể hiện trên Hình 2, sản phẩm thiết bị hoà trộn sau khi chế tạo hoàn chỉnh được thể hiện trên Hình 3. Tốc độ khuấy của bộ trộn n = 60v/ph; kích thước hạt 60~70μm.

2.3. Tính toán thiết kế thiết bị đồng thể hóa

Trên cơ sở nghiên cứu, phân tích một số thiết bị đồng thể hoá hiện đang có mặt trên thị trường, nhóm nghiên cứu lựa chọn thiết bị đồng thể hoá kiểu rotor, sơ đồ kết cấu của thiết bị được thể hiện trên Hình 4 và Hình 5. Stator của thiết bị đồng thể hóa được thiết kế bao gồm 14 rãnh thoát với các kích thước 6×10×12 (mm) và rotor bao gồm 12 rãnh thoát với kích thước 10×10×10 (mm). Rotor được lắp lồng vào trong lòng của stator trên cùng một trục với khe hở cắt là 0,5mm.

Hình 1. Sơ đồ hệ thống tạo nhiên liệu nhũ tương động cơ Hanshin 6LU32 [1]

STT

Các thông số

Giá trị

1

Động cơ Hanshin 6LU32

 

2

Số xi lanh

i = 6

3

Vòng quay định mức

n = 340v/phút

4

Công suất định mức

Ne = 1300hp/970kW

5

Đường kính xi lanh

D = 320mm

6

Hành trình piston

S = 510mm

7

Áp suất cháy lớn nhất

Pz = 90kG/cm2

8

Góc phun sớm

11o gqtk trước ĐCT

9

Suất tiêu hao nhiên liệu

ge = 200g/kW.h

         Bảng 1. Các thông số kỹ thuật cơ bản của động cơ Hanshin 6LU32 [2]

Đường kính két:

T (m)

Đường kính cánh khuấy D (m)

Số lượng cánh (chiếc)

Chiều rộng cánh W (m)

Chiều dài cánh L (m)

Số lượng cánh cản (chiếc)

Chiều rộng cánh cản B (m)

Chiều cao cột chất lỏng H (m)

Khoảng cách từ cánh đến đáy két Z (m)

0,60

0,20

6

0,05

0,06

4

0,10

1,0

0,2

Bảng 2. Kích thước của bộ hòa trộn kiểu cánh khuấy áp dụng cho động cơ Hanshin 6LU32 [3]

Hình 2. Bản vẽ thiết kế bộ hòa trộn liên tục [3]

     Hình 3. Sản phẩm thiết bị hòa trộn liên tục [3]

Các kích thước và thông số cơ bản của thiết bị đồng thể hoá nhiên liệu được thể hiện trong Bảng 3 (do giới hạn về khuôn khổ bài báo, nội dung tính toán thiết bị không được trình bày ở đây). Hệ thống tạo nhiên liệu nhũ tương với các thiết bị hoà trộn và đồng thể hoá sau khi được chế tạo và lắp đặt được thể hiện trên Hình 6.

TT

Các thông số thiết kế

Trị số

Ghi chú

1

Loại thiết bị đồng thể hóa

Rotor

 

2

Năng suất

194kg/h

Nhiên liệu + nước

3

Mức độ đồng thể hóa

d32 = 10μm

 

4

Hàm lượng nước trong nhũ tương

10 ~ 50%

Nước tinh khiết

5

Đường kính rotor

D = 100mm

 

6

Khe hở tạo ứng suất

Δ = 0,5mm

 

7

Vận tốc quay của rotor

3000v/ph

 

8

Công suất lai rotor

P = 272W

 

9

Động cơ điện loại 3 pha

P = 500W

 

10

Đường kính cửa vào

d1 = 35mm

 

11

Đường kính cửa ra

d2 = 30mm

 

12

Vật liệu chế tạo

Thép không gỉ

 

Bảng 3. Tổng hợp các thông số thiết kế thiết bị đồng thể hoá [3]
Hình 6. Hệ thống tạo nhiên liệu nhũ tương được lắp đặt thử nghiệm trên động cơ Hanshin 6LU32 [3]

2.4. Kết quả thử nghiệm sử dụng nhiên liệu nhũ tương cho động cơ diesel Hanshin 6LU32

Nhiên liệu sử dụng trong thử nghiệm cho động cơ bao gồm nhiên liệu DO (tỷ trọng 0,8638; nhiệt trị 42.460kJ/kg; độ nhớt ở 40oC 6,38; hàm lượng lưu huỳnh 0,5%,...) và nhiên liệu FO (tỷ trọng 0,987; nhiệt trị 42.230kJ/kg; độ nhớt ở 40oC 80,7; hàm lượng lưu huỳnh 1,5%,...). Tiến hành tạo mẫu nhiên liệu nhũ tương với các tỷ lệ nước khác nhau: 10%, 20%, 30%, 40%, 50%. Các mẫu thực nghiệm được lấy ngay tại cửa ra của thiết bị đồng thể hóa. Nhìn chung, các mẫu nhiên liệu nhũ tương với tỷ lệ 10~30% nước đều có tính ổn định tốt, trong vòng 24 giờ quan trắc không có dấu hiệu nước bị lắng đọng, trong khi đó các mẫu nhiên liệu với tỷ lệ nước 40~50% có tính ổn định không cao, có hiện tượng lắng đọng nước (Hình 7).

Hình 7. Các mẫu nhiên liệu nhũ tương được sử dụng thử nghiệm cho động cơ Hanshin 6LU32 [3]

Tiến hành thử nghiệm trên động cơ 6LU32 ở các chế độ tải khác nhau (50%, 75% và 85% tải) với nhiên liệu DO và FO nguyên bản và các mẫu nhiên liệu nhũ tương (Dnt, Fnt) giữa DO và FO với nước theo các tỷ lệ khác nhau (10%, 20% và 30% nước), thời gian thử là 10 giờ. Các kết quả đo phát thải NOx của động cơ sử dụng thiết bị đo Testo 350 được thể hiện trong Bảng 4 và Bảng 5.

Nhiên liệu DO

 

Phát thải NOx

Chế độ tải/Vòng quay

50%/238

75%/273

85%/300

mg/Nm3

g/kW.h

Độ giảm %

mg/Nm3

g/kW.h

Độ

giảm %

mg/Nm3

g/kW.h

Độ giảm %

NOx - NO2

1602

11,09

-

4862

29,34

-

9805

53,85

-

Nhiên liệu nhũ tương Dnt10

NOx - NO2

1132

9,70

12,53

2506

21,47

26,82

2632

22,55

58,12

Nhiên liệu nhũ tương Dnt20

NOx - NO2

1022

8,75

21,18

1730

14,82

49,48

1632

13,98

74,03

Nhiên liệu nhũ tương Dnt30

NOx - NO2

920

7,88

28,94

1602

13,73

53,2

1429

12,25

77,25

Bảng 4. Kết quả thử nghiệm đo phát thải NOx trên động cơ 6LU32 khi sử dụng nhiên liệu DO nhũ tương [3]

Nhiên liệu FO

 

Phát thải NOx

Chế độ tải/Vòng quay

50%/240

75%/275

85%/300

mg/Nm3

g/kW.h

Độ

giảm %

mg/Nm3

g/kW.h

Độ

giảm %

mg/Nm3

g/kW.h

Độ

giảm %

NOx - NO2

1650

12,35

-

5910

38,25

-

11015

63,40

-

Nhiên liệu nặng nhũ tương Fnt10

NOx - NO2

1107

9,48

23,24

2142

18,35

52,03

2470

21,16

66,62

Nhiên liệu nặng nhũ tương Fnt20

NOx - NO2