Luận án: Nâng cao hiệu quả bộ xúc tác tạo khí hydro cho động cơ xăng

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do tôi thực hiện. Luận án có sử dụng một phần kết quả do tôi và nhóm nghiên cứu thực hiện trong Đề tài cấp nhà nước “Nghiên cứu phát triển công nghệ tạo khí giàu hyđrô để bổ sung cho động cơ xăng nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm phát thải cho động cơ” mã số KC.24/11-15 do GS Lê Anh Tuấn là chủ nhiệm đề tài và tổ chức chủ trì là Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Tôi đã được chủ nhiệm đề tài đồng ý cho sử dụng một phần kết quả của đề tài cấp nhà nước vào việc viết luận án. Tôi xin cam đoan các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác.

Hà Nội, tháng ….năm 2019 Tập thể giáo viên hướng dẫn Nghiên cứu sinh GS Phạm Minh Tuấn TS. Nguyễn Thế Lương Trần Văn Hoàng -i- LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Sau đại học, Viện Cơ khí Động lực, Bộ môn Động cơ đốt trong, Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong đã cho phép và giúp đỡ tôi thực hiện luận án trong thời gian học tập, nghiên cứu tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS Lê Anh Tuấn đã cho phép tôi sử dụng một phần kết quả của đề tài để hoàn thành luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Phạm Minh Tuấn và TS Nguyễn Thế Lương đã chu đáo tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi thực hiện và hoàn thành luận án.

Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những nguời đã luôn động viên và khuyến khích tôi trong suốt thời gian học tập tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Nghiên cứu sinh Trần Văn Hoàng - ii - MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN. ii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU .vi DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .ix DANH MỤC BẢNG BIỂU .xiv LỜI MỞ ĐẦU. Xuất xứ đề tài.

Mục tiêu nghiên cứu. Phạm vi nghiên cứu. Phƣơng pháp nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.

Bố cục của luận án .3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NÂNG CAO HIỆU QUẢ BỘ XÚC TÁC TẠO KHÍ GIÀU HYĐRÔ. Tổng quan về nhiên liệu khí giàu hyđrô. Tính chất nhiên liệu khí giàu hyđrô. Các phương pháp tạo khí giàu hyđrô.

Phản ứng nhiệt hóa nhiên liệu hyđrô carbon với hơi nước. Phản ứng ôxy hóa nhiên liệu không hoàn toàn. Phản ứng nhiệt hóa hyđrô carbon với khí carbonic. Tình hình nghiên cứu sử dụng khí giàu hyđrô trên thế giới và Việt Nam.

Các nghiên cứu sử dụng khí giàu hyđrô trên thế giới. Các nghiên cứu sử dụng khí giàu hyđrô ở Việt Nam. Nghiên cứu nâng cao hiệu quả bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô. Hiện trạng bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô.

Nghiên cứu nâng cao hiệu quả bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô trên thế giới 17 1. Các nghiên cứu nâng cao bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô tại Việt Nam. Giải pháp áp dụng hiện nay. Cách tiếp cận vấn đề của đề tài.

Kết luận chƣơng 1.24 CHƢƠNG 2 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN HỆ XÚC TÁC MỚI NHẰM TĂNG HIỆU QUẢ TẠO KHÍ GIÀU HYĐRÔ. Cơ sở lý thuyết về các phản ứng xúc tác tạo khí giàu hyđrô từ nhiên liệu. Cơ chế của phản ứng xúc tác. Cơ chế của các phản ứng xúc tác trong bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô.

Các phương pháp tẩm trên chất mang. Điều chế vật liệu xúc tác. Đặc tính cấu trúc, hình dạng bề mặt và đánh giá hiệu quả xúc tác .40 ện tích bề mặt của vật liệu xúc tác. Đánh giá hiệu suất tạo khí giàu hyđrô.

Kết luận chƣơng 2.56 CHƢƠNG 3 NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG TẠO KHÍ GIÀU HYĐRÔ SỬ DỤNG HỆ XÚC TÁC NI-CU/AL2O3. Đối tƣợng nghiên cứu. Tính toán thiết kế hệ thống tạo khí giàu hyđrô trên xe máy. Tính toán thiết kế hệ thống tạo khí giàu hyđrô sử dụng bộ xúc tác mới Ni- Cu/Al2O3 trên động cơ.

Thiết kế bộ xúc tác Ni-Cu/Al2O3. Chế tạo và lắp đặt hệ thống tạo khí giàu hyđrô sử dụng bộ xúc tác mới Ni- Cu/Al2O3. Kết luận chƣơng 3.86 CHƢƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ LẮP BỘ XÚC TÁC MỚI NI-CU/AL2O3. Phƣơng pháp, nhiên liệu và trang thiết bị thử nghiệm.

Phương pháp thử nghiệm. Nhiên liệu thử nghiệm. Trang thiết bị thử nghiệm. Kết quả thử nghiệm và so sánh đặc tính kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ khi sử dụng bộ xúc tác mới Ni-Cu/Al2O3 và bộ xúc tác Ni/Al2O3.

Kết quả thử nghiệm và so sánh theo đặc tính tốc độ. Kết quả thử nghiệm và so sánh theo vị trí tay ga tại 50 km/h. Kết quả thử nghiệm sau khi chạy bền 5000 km với bộ xúc tác mới Ni- Cu/Al2O3. Kết luận chƣơng 4.106 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .107 Hướng phát triển .107 TÀI LIỆU THAM KHẢO.109 PHỤ LỤC TRANG THIẾT BỊ THỬ NGHIỆM.

PL1 -v- DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Ký Tiếng Anh Diễn giải Đơn vị hiệu/Viết tắt λ Lambda Hệ số dư lượng không khí - Suất tiêu thụ nhiên liệu có ge g/kW.h ích Ne Công suất có ích kW ε Tỷ số nén - Tỷ lệ giữa hơi nước và S/C Steam/carbon - cacbon n Tốc độ động cơ v/ph GTVT Giao thông vận tải - Hệ thống phân tích khí CEBII - thải ppm Part per million Một phần triệu - LPG Liquefied Petroleum Gas Khí hóa lỏng - CNG Compressed Natural Gas Khí thiên nhiên nén - Hydrogen/ Compressed Natural Hỗn hợp nhiên liệu HCNG - Gas hyđrô/CNG Nhiệt hóa nhiên liệu với CR Carbon Reforming - khí carbonic ĐCĐT Động cơ đốt trong - GC Gas Chromatography Bộ sắc kí khí - Oxi hóa không hoàn toàn PO Partial Oxidation nhiên liệu Nhiệt hóa nhiên liệu với SR Stream Reforming - hơi nước GHSV Gas Hourly Space Velocity Vận tốc không gian 1/lít HRG Hydrogen Rich Gas Khí giàu hyđrô Phương pháp đo diện tích BET Brunauer-Emmett-Teller bề mặt SEM Scanning electron microscope Kính hiển vi điện tử - Energy Dispersive Phân tích thành phần hóa EDS - Spectroscopy học của vật rắn nhờ tia X Sử dụng nhiễu xạ tia X để XRD X-Ray Diffraction - phân tích cấu trúc vật liệu - vi - Phương pháp đánh giá Temperature programe TPR đặc tính khử của vật liệu - reduction theo nhiệt độ ECU Electronic Control Unit Bộ điều khiển điện tử - CD 20” Chassis dynamometer 20’’ - Băng thử xe máy - X-ray Photoelectron Sử dụng tia X để phân XPS - Spectroscopy tích cấu trúc vật liệu MCH Methylcy-clohexane C6H11CH3 - Tỷ lệ hơi nước, ôxy và S/O/C Steam Oxygen Gasoline xăng RON Research Octan Number Trị số ốctan nghiên cứu Tốc độ động học của mol/(g cat s) Rj phản ứng m3·Pa·mol- R Hằng số khí 1 -1 ·K outlet Tổng lưu lượng khí đầu Ftotal ml/ph ra X stoutlet Nồng độ khí mang đầu ra % thể tích inlet Tổng lưu lượng khí đầu Ftotal ml/ph vào Nồng độ khí mang đầu X stinlet % thể tích vào δ Hệ số cản cục bộ A1 Tiết diện ống đầu vào mm2 A2 Tiết diện ống đầu ra mm2 VXL Vi xử lý G Gate Cực điều khiển của moffet MOSFET Metal-Oxide Semiconductor Trường oxit kim loại – Field-Effect Transistor) bán dẫn transistor XCK Chân xung nhịp của vi điều khiển TxD Transmitted Data Chân truyền dữ liệu RxD Received Data Chân nhận dữ liệu PC Máy tính để bàn - vii - COMx Communication Cổng kết nối số x DBx Jack kết nối của cổng com có số chân x Phát hiện sóng mang dữ DCD liệu RxD Received data Dữ liệu nhận TxD Transmitted data Dữ liệu truyền DTR Data terminal ready DTE sẵn sàng làm việc GND Ground Nối đất (0V) DSR Data set ready DCE sẵn sàng làm việc DTE yêu cầu truyền dữ RTS Request to send liệu DCE sẵn sàng nhận dữ CTS Clear to send liệu RI Ring indicator Báo chuông RS232 Recommended Standard 232 Chuẩn giao tiếp 232 - viii - DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1. Giới hạn cháy của hyđrô và một số loại nhiên liệu [4]. Tốc độ ngọn lửa của một số hỗn hợp khí [3]. Sơ đồ nguyên lý chung của động cơ sử dụng hồn hợp khí giàu hyđrô dưới tác dụng của chất xúc tác.

Hiệu suất chuyển hóa iso ốctan theo vận tốc không gian và tỷ lệ S/C tại 850oC [31]. Sản phẩm của hệ xúc tác Mo2C theo vận tốc không gian tại nhiệt độ 850oC[31]. Hiệu quả chuyển hóa n-ốctan và tỷ lệ H2 trong sản phẩm khi H2O/C=3. Hiệu quả chuyển hóa n-ốctan và tỷ lệ H2 trong sản phẩm của hệ xúc tác Pd- Ni/Al2O3 khi: ( ) O2/C8H18 = 1.

Độ bền xúc tác của mẫu Ni-Pd/Al2O3 [32]. Hiệu quả chuyển hóa nhiên liệu xăng thành hỗn hợp khí giàu hyđrô của xúc tác Ni-Re/Al2O3 theo nhiệt độ khi carbon (S:C) tỷ lệ 1.7:1 và vận tốc không gian là 12 h-1 [33]. Hiệu suất chuyển hóa theo nhiệt độ và theo tỷ lệ S/O/C và S/C của hệ xúc tác Ni-Re/Al2O3 tại vận tốc không gian là 3 h-1 [33]. Sự thay đổi hiệu suất của phản ứng và độ chọn lọc sản phẩm của hệ xúc tác Cu/CeO2 theo nhiệt độ (pi-C8H8=1.5 kPa, pH2O=36 kPa, mcat=250mg, Ft=150 cm3/min) [34].

Đặc tính khử theo nhiệt độ của các mẫu xúc tác Ni-Cu [35]. Tốc độ phản ứng của các mẫu xúc tác Ni-Cu [35]. Biểu đồ năng lượng hoạt hóa của phản ứng khi không chất xúc tác và khi có mặt chất xúc tác đồng thể. Biểu đồ năng lượng hoạt hóa của phản ứng khi không chất xúc tác và khi có mặt chất xúc tác dị thể theo thuyết hấp thụ.

Sơ đồ của phản ứng xúc tác nhiên liệu và hơi nước nhờ tận dụng nhiệt khí thải. Quy trình điều chế hệ xúc tác Ni-Cu/γ-Al2O3 [42]. Kết quả XRD của các mẫu xúc tác 18% Ni1-x-Cux/Al2O3 (x= (a) 1; (b) 0,7; (c) 0,5; (d) 0,3; (e) 0,1; (f) 0). Kết quả XRD của mẫu Ni0,5-Cu0,5/Al2O3 khi thay đổi tỷ lệ Ni-Cu về khối lượng trong hỗn hợp xúc tác (a) 36%; (b) 18%; (c) 6%; (d) 0%.

Kết quả XRD của các mẫu xúc tác khác nhau (a) 18% Ni0. Ảnh SEM của các mẫu xúc tác khi thay đổi tỷ lệ Ni0,5-Cu0,5 trong hỗn hợp với γ-Al2O3. Hình ảnh SEM và EDS của mẫu xúc tác 18% Ni0,5-Cu0,5/ -Al2O3. Sơ đồ thí nghiệm đánh giá hiệu quả xúc tác.

Một số chi tiết chính của hệ thống đánh giá hoạt tính xúc tác. Hệ thống đánh giá hoạt tính xúc tác sau khi lắp hoàn thiện .