Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm thiết bị giảm phát thải cho động cơ diesel bằng công nghệ scrubber
Sự phát triển mạnh mẽ về số lượng các loại phương tiện vận tải biển mà hệ thống động lực được trang bị đa số là động cơ diesel phát thải ra các chất độc hại làm mức độ ô nhiễm tăng lên rất nhanh và đang ở mức báo động. Các chất ô nhiễm trong khí thải gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và môi trường thiên nhiên, kìm hãm sự phát triển kinh tế, xã hội. Tổ chức Hàng hải thế giới (IMO), các tổ chức bảo vệ môi trường luôn kêu gọi tìm kiếm các giải pháp và công nghệ mới ứng dụng cho tàu biển nhằm tiết kiệm năng lượng, giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Nhằm kiểm soát tốt khí xả từ tàu trong hoạt động hàng hải trên toàn thế giới ở mức độ cho phép, tháng 9/1997, Tổ chức Hàng hải Quốc tế IMO đã bổ sung vào Công ước MARPOL 73/78 Phụ lục VI – Các quy định về ngăn ngừa ô nhiễm không khí do tàu gây ra và bắt đầu có hiệu lực từ ngày 19/05/2005. Mục đích của Phụ lục VI là kiểm soát việc phát thải các chất làm suy giảm tầng ô zôn, ô xít ni tơ (NOx), ô xít lưu huỳnh (SOx), các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi và việc đốt chất thải trên tàu biển. Sự phát triển mạnh mẽ về số lượng các loại phương tiện vận tải thủy với hệ thống động lực được trang bị chủ yếu là động cơ diesel thế hệ cũ (hệ thống nhiên liệu truyền thống kiểu Bosch, chưa có bộ xử lý khí xả, chưa có bộ xử lý khí thải theo công nghệ scrubber…) có mức độ phát thải các chất độc hại cao, gây ảnh hưởng rất nghiêm trọng đến môi trường tự nhiên và con người. Đặc biệt những khu vực có mật độ tàu thuyền lớn như bến cảng, khu du lịch (Hạ Long, Nha Trang, Quy Nhơn, Vũng Tàu, Phú Quốc, hệ thống giao thông thủy tại Đồng bằng sông Cửu Long…) thì mức độ ô nhiễm không khí đang trở nên thực sự đáng báo động.
Theo thống kê của Cục Đăng kiểm Việt Nam cho thấy tính đến hết tháng 2-2016, cả nước có hơn 240.000 phương tiện thủy đang lưu hành, trong đó có khoảng 18.900 phương tiện cỡ nhỏ có công suất dưới 135 mã lực. Riêng tại khu vực phía bắc khu du lịch vịnh Hạ Long và vịnh Bái Tử Long có số lượng tàu phục vụ vận chuyển hành khách rất lớn. Số lượng tàu nội địa do riêng tỉnh Quảng Ninh quản lý hoạt động trên vịnh Hạ Long tính đến tháng 6/2017 là 5208 tàu (đa phần là tàu có tuổi đời cao, mức độ áp dụng công nghệ cho động cơ và cho toàn bộ tàu còn hạn chế…). Việc tập trung số lượng tàu lớn trong khu vực của vịnh sẽ gây ra việc ô nhiễm môi trường biển và môi trường không khí rất lớn, tác động tiêu cực đến hình ảnh của di sản thiên nhiên thế giới, đồng thời ảnh hưởng không nhỏ đến việc thu hút khách du lịch. Trước tình hình trên, rất cần các nhóm giải pháp hiệu quả nhằm xử lý các chất độc hại có trong khí xả của động cơ diesel lắp trên các phương tiện thủy. Đối với động cơ diesel có hai nhóm giải pháp xử lý khí thải: xử lý ngay tại nguồn phát sinh (bên trong động cơ) hoặc trên đường thải của động cơ. Để xử lý khí thải trên đường thải của động cơ có nhiều nhóm giải pháp khác nhau như: sử dụng bộ lọc, bộ xúc tác, bộ scrubber… trong đó bộ xử lý khí thải (XLKT) theo công nghệ scrubber là giải pháp hữu hiệu và phù hợp với điều kiện hiện nay đối với các phương tiện thủy nói trên, góp phần giảm phát thải cho động diesel tĩnh tại và diesel tàu thủy đã được áp dụng ở nhiều nước trên thế giới. Các hãng sản xuất động cơ như Wartsila, Man B&W, Caterpiler… đã chú trọng phát triển bộ scrubber trên những động cơ họ chế tạo ra tuy nhiên giá thành mỗi bộ rất đắt. Tại Việt Nam hiện nay chưa có công trình nghiên cứu nào về hướng đi này cho động cơ đốt trong nói chung và động cơ diesel tàu thủy nói riêng.
Vì những lý do trên, ThS. Trần Trọng Tuấn cùng các cộng sự tại Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải, Bộ Giao thông Vận tải đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm thiết bị giảm phát thải cho động cơ diesel bằng công nghệ scrubber” nhằm góp phần từng bước làm chủ công nghệ tiến tới nội địa hóa việc sản xuất thiết bị này.
Các nội dung nghiên cứu của đề tài có sự kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết và thử nghiệm được thực hiện nghiêm túc theo đúng mục tiêu, nội dung đặt ra. Nội dung lý thuyết đã được các thành viên tham gia đề tài đầu tư nhiều công sức và thời gian để thực hiện trên cơ sở các kiến thức, kinh nghiệm và tài liệu liên quan đến nội dung thực hiện. Các kết quả nghiên cứu này đã được sử dụng là cơ sở quan trọng cho việc thực hiện các nội dung trong phần tính toán thiết kế và thử nghiệm, thể hiện tính khoa học của đề tài. Các kết quả thử nghiệm đều được thực hiện nghiêm túc và bài bản trong Phòng thí nghiệm Máy tàu thủy, Trường Đại học Công nghệ GTVT.
Một số kết quả đã đạt được trong quá trình thực hiện đề tài:
Đã nghiên cứu tổng quan về cơ chế hình thành, và giải pháp giảm ô nhiễm từ khí thải của động cơ đốt trong;
Đã nghiên cứu tổng quan về phương pháp giảm phát thải cho động cơ dựa theo nguyên lý scrubber, phần tích đánh giá được các dạng scrubber cơ bản, chất lỏng sử dụng cho bộ scrubber, những yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng xử lý khí thải của bộ scrubber, phân tích các công trình trong và ngoài nước liên quan đến việc ứng dụng bộ scrubber cho động cơ đốt trong;
Đã nghiên cứu cơ sở khoa học nhằm ứng dụng công nghệ scrubber để giảm phát thải cho động cơ diesel, phân tích cấu trúc của hệ thống, chất lỏng sử dụng cho hệ thống và cơ chế giảm phát thải khi đi qua bộ scrubber từ đó nhóm nghiên cứu đã lựa chọn kiểu tháp phun thường với dung dịch sử dụng là nước, NaOH 10 g/lít, NaOH 20 g/lít làm đối tượng thử nghiệm;
Đã nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán các thông số cơ bản của bộ scrubber như: tỷ lệ L/G, Dp, hiệu suất xử lý và lưu lượng PM trong hệ thống, một số các đồ thị tra cần được xây dựng bằng phương pháp thực nghiệm dựa trên kết quả đo về kích thước, mật độ, sự phân bố các hạt PM do nhóm nghiên cứu chưa thể thực hiện được các nội dung này nên đã kế thừa từ các nghiên cứu đã công bố.
Đã tiến hành thiết kế chế tạo và lắp đặt thành công một hệ thống giảm phát thải theo nguyên lý scrubber cho động cơ 6S185L-ST tại phòng thí nghiệm động cơ diesel tàu thủy - Trường Đại học Công nghệ GTVT.
Đã tiến hành thử nghiệm đánh giá hiệu quả giảm phát thải của bộ scrubber trang bị cho động cơ. Kết quả thử nghiệm cho thấy khi đi qua bộ scrubber lượng phát thải NOx giảm từ 3,36÷14,32%, phát thải CO giảm từ 5,24 ÷ 15,77%, phát thải CO2 giảm từ 4,51 ÷ 9,36%, phát thải PM giảm từ 85.62 ÷ 95.28% tùy vào chế độ tải và tốc độ của động cơ.
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, các thử nghiệm đánh giá hiệu quả của bộ scrubber mới chỉ dừng lại ở trong phòng thí nghiệm. Nhằm đưa nghiên cứu này ứng dụng vào thực tiễn để giảm phát thải độc hại từ các phương tiện tàu thủy sử dụng động cơ diesel, cải thiện môi trường không khí, cần thiết phải bổ sung các nghiên cứu tối ưu hóa kết cấu, nâng cao hiệu suất của bộ scrubber; nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển tự động cho bộ scrubber; và nghiên cứu thêm các dạng kết cấu của tháp phun và phương án scrubbing khác cho động cơ.
Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 20063/2021) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.
