Khảo sát hoạt động của máy phát điện công suất 2 kVA sử dụng nhiên liệu khí biogas được ủ từ phân heo

Khảo sát hoạt động của máy phát điện công suất 2 kVA sử dụng nhiên liệu khí biogas được ủ từ phân heo

************

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT 2 KVA SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU

BIOGAS ĐƢỢC Ủ TỪ PHÂN HEO

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

************

KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT 2 KVA SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU

BIOGAS ĐƢỢC Ủ TỪ PHÂN HEO

Thành Phố Hồ Chí Minh

2007

-LỜI CẢM ƠN

Con xin thành kính ghi ơn ba má, hai người suốt đời trăn trở, dốc hết công lao cho con được ngày hôm nay Em xin ghi khắc ơn sâu của các anh chị, những người luôn dành mọi điều kiện tốt đẹp cho em ăn học nên người

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến

Ban giám hiệu trường Đại Học Nông Lâm TP Hồ Chí Minh, ban chủ nhiệm

Bộ Môn Công Nghệ Sinh Học cùng Quý thầy cô đã tạo điều kiện tốt đẹp cũng như truyền đạt kiến thức cho em trong suốt quá trình học tập tại trường

Em xin trân trọng biết ơn thầy Dương Nguyên Khang và Thầy Nguyễn Đình Hùng, đã hết lòng hướng dẫn và truyền đạt những kinh nghiệm quí báu cho em trong suốt quá trình thực tập tốt nghiệp

Em xin cảm ơn anh Huỳnh Công Bằng người đã tạo điều kiện cho em tiến hành đề tài trong suốt thời gian thực tập

Xin cảm ơn sự giúp đỡ của bạn An, Bảo, Thái, Kha và các bạn cùng phòng người đã chia sẽ những khó khăn, vui buồn trong suốt quá trình thực hiện

Mặc dù đã có nhiều cố gắng, nhưng do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên luận văn này không thể tránh khỏi những thiếu xót Chúng tôi rất mong sự đóng góp của thầy cô và các bạn

Xin chân thành cảm ơn

Sinh viên thực hiện Nguyễn Quốc Dũng

TÓM TẮT KHÓA LUẬN

iv

Nguyễn Quốc Dũng, đại học Nông Lâm TP Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2007, thực hiện đề tài: “khảo sát hoạt động của máy phát điện công suất 2 kVA sử dụng nhiên liệu khí biogas được ủ từ phân heo” dưới sự hướng dẫn của TS Dương Nguyên Khang

Đề tài được tiến hành: Từ ngày 15/ 3/2007 – 21/8/2007, tại trại heo gia đình anh Huỳnh Công Bằng số 23/3 tổ 13, ấp Trung Lân, xã Bà Điểm, huyện Hóc Môn, Thành phố Hồ Chí Minh và tại trại bò trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh

Mục tiêu của đề tài là tận dụng gas sinh ra từ phân heo được lên men yếm khí để chạy máy phát điện loại 2 kVA để sản xuất điện sạch đáp ứng tình hình thiếu điện trầm trọng hiện nay

Thí nghiệm được tiến hành so sánh động cơ chạy bằng khí biogas hoặc xăng ở ba mức tải nhỏ, vừa và cao được lặp lại 10 lần mỗi lần cách nhau 7 ngày trong thời gian khảo sát

Kết quả thu được ở 3 mức tải như sau:

 Độ chênh lệch giữa công suất máy chạy bằng biogas hoặc xăng tương đương nhau: ở xăng lần lượt từ thấp, trung bình, và cao là 161,6 W; 851,6 W; 1.618 W, còn ở biogas là 162,5 W; 700,2 W; 1163 W

 Khí thải khi chạy bằng biogas ít ô nhiễm môi trường hơn so với khi chạy bằng xăng và đều đạt tiêu chuẩn Euro 1 và Euro 2

Biogas: 0.06 0.53 0.04 16,9 23,9 23,1 22,6 23,2 23,2 Euro 1: 3,16 3,16 3,16 1130 1130 1130 140 140 140

 Hiệu quả kinh tế khi chạy ở chế độ không tải công suất thấp thì 1 lít xăng tương đương 0,6 m3

gas; khi ở chế độ công suất trung bình thì 1 lít xăng tương đương với 0,58 m3; và ở công suất cao thì 1 lít xăng tương đương với 0,5 m3 gas

 Kết luận: sử dụng năng lượng mới gas sinh học đảm bảo máy phát điện vận hành tốt, công suất máy phát điện của 2 loại nhiên liệu chênh lệch không nhiều, nồng độ khí thải của nhiên liệu gas sinh học thấp và đạt tiêu chuẩn Euro 1 và Euro 2 Hiệu quả kinh tế so với sử dụng xăng là rất cao

vi

MỤC LỤC

Lời cảm ơn iii

Tóm tắt iv

Mục lục v

Danh sách các bảng vii

Danh sách các hình viii

Danh sách chữ viết tắt ix

Chương 1 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục đích và yêu cầu 2

1.2.1 Mục đích 2

1.2.2 Yêu cầu 2

Chương 2 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

2.1 Sơ lượt về thành phần hóa học và tính chất khí sinh học biogas 3

2.1.1 Định nghĩa 3

2.1.2 Thành phần 3

2.1.3 Tính chất vật lý, hóa học …… 3

2.1.4 Cơ chế tạo thành khí sinh học trong hệ thống biogas 6

2.1.5 Một số mô hình tạo khí biogas đang được ứng dụng hiện nay 7

2.1.6 Tiềm năng và ý nghĩa của biogas 9

2.2 Tình hình nghiên cứu biogas trong và ngoài nước 11

2.2.1 Tình hình trong nước 11

2.2.2 Tình hình ngoài nước 11

2.3 Sơ lượt vài nét về động cơ máy 2 kVA 12

2.3.1 Khái niệm động cơ đốt trong bốn kỳ 12

2.3.2 Cấu tạo động cơ đốt trong 13

2.3.2.1 Bộ phận phát lực 13

2.3.2.2 Bộ phận đánh lửa 14

2.3.2.3 Bộ phận phân phối khí 15

2.3.2.4 Bộ phận nhiên liệu 15

2.3.3 Cấu tạo động cơ đã được chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu biogas 17

2.3.4 Một số động cơ sử dụng biogas thường gặp 18

2.3.5 Khí thải của động cơ đốt trong 22

2.3.5.1 Oxit cacbon (COx) 22

2.3.5.2 NOx , H2S và SO2 22

2.3.5.3 Các chất hydrocacbua 23

2.3.5.4 Các hợp chất chì 23

Chương 3 3 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 3.1 Thời gian và địa điểm thực hiện đề tài 24

3.2 Vật liệu và thiết bị sử dụng 24

3.3 Phương pháp thí nhiệm 24

Chương 4 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 Ảnh hưởng của tốc độ vận hành máy và nhiên liệu lên nồng độ khí thải, hiệu điện thế và lượng nhiên liệu tiêu thụ ở chế độ không tải 28

4.2 Ảnh hưởng của tốc độ vận hành máy và nhiên liệu lên nồng độ khí thải, hiệu điện thế và lượng nhiên liệu tiêu thụ ở chế độ có tải 33

4.3 Hiệu quả kinh tế của máy nổ phát điện sử dụng biogas hoặc xăng 37

Chương 5 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 5.1 Kết luận 39

5.2 Đề nghị 39

6 TÀI LIỆU THAM KHẢO

7 PHỤ LỤC

viii

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Thành phần hoá học khí biogas 3 Bảng 2.2 Hàm lượng các chất trong khí thải 22 Bảng 4.1 Ảnh hưởng của tốc độ vận hành

máy và nhiên liệu lên nồng độ khí thải, hiệu

điện thế và lượng nhiên liệu tiêu thụ ở chế độ không tải 28 Bảng 4.2 Bảng tiêu chuẩn khí thải Euro 1 và Euro 2 đối với động cơ xăng 29 Bảng 4.2 Ảnh hưởng của tốc độ vận hành

máy và nhiên liệu lên nồng độ khí thải, hiệu

điện thế và lượng nhiên liệu tiêu thụ ở chế độ có tải 33 Bảng 4.4 Giá điện tạo ra khi chạy máy bằng biogas hoặc xăng 37 Bảng 4.5 Bảng giá thành một số loại hầm biogas 37

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1: Các kỳ động cơ đốt trong 4 kỳ 13

Hình 2.2: Sơ đồ bộ chế hòa khí 16

Hình 2.3: Động cơ gas sử dụng phương pháp hòa trộn trước 18

Hình 2.4: Động cơ Diesel Gas 19

Hình 2.5: Động cơ gas sử dụng phương pháp hòa trộn trước có buồng cháy phụ 19

Hình 2.6: Động cơ gas sử dụng phương pháp phun trên đường ống nạp 20

Hình 2.7: Động cơ Gas Diesel 21

Hình 4.1 Biểu đồ so sánh lượng khí HC, NO2 thải ra của máy sử dụng xăng hoặc biogas ở chế độ không tải 30

Hình 4.2 Biểu đồ lượng khí CO, CO2, O2 và thải ra của máy sử dụng xăng hoặc biogas ở chế độ không tải 31

Hình 4.3 Biểu đồ so sánh lượng khí CO, CO2, O2, thải ra của máy bằng xăng hoặc biogas ở chế độ có tải 35

Hình 4.4 Biểu đồ so sánh lượng khí HC, NOx thải ra của máy bằng xăng hoặc biogas ở chế độ có tải 35

5 NLx: Nhiên liệu xăng

6 NLb: Nhiên liệu biogas

7 Wtt: Công suất thực tế

8 Wlt: Công suất lý thuyết

9 TS: Tiến sĩ

Chương 1

MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề

Nước ta là nước có nền nông nghiệp lâu đời, người nông dân chúng ta thường

sử dụng phân chuồng bón cho cây trồng, làm thức ăn cho cá…Ngoài ra, khi ủ phân heo và phân bò bằng cách lên men vi sinh vật trong điều kiện yếm khí sẽ cho lượng khí metan rất lớn, lượng khí metan này có thể tạo ra nguồn năng lượng lớn để thay thế nguồn năng lượng truyền thống, giảm thiểu chi phí điện năng Việc tái sử dụng nguồn khí thải sinh học chạy máy phát điện còn góp phần hạn chế tối đa ô nhiễm môi trường do các khí thải từ các động cơ nổ gây ra Đây là một hướng nghiên cứu đầy hứa hẹn nhiều triển vọng ứng dụng rộng rãi, mang lại lợi ích kinh tế, cung cấp nguồn năng lượng sạch cho vùng sâu vùng xa mà điện lưới quốc gia chưa vươn tới

Từ trước đến nay khí sinh học từ các hầm biogas chủ yếu được sử dụng vào việc đun nấu mà chưa sử dụng vào nhiều mục đích khác Trong lúc đó do nhu cầu

sử dụng nguồn nhiên liệu từ dầu mỏ, khí đốt ngày càng khan hiếm không đáp ứng được yêu cầu sản xuất Vì lẻ đó tận dụng lượng gas sinh ra từ hầm ủ yếm khí biogas

để chạy máy phát điện đang là vấn đề thời sự Nhiều khảo sát đã cho thấy rằng máy

nổ chạy bằng nhiên liệu gas sinh học có lượng khí xả sạch đạt tiêu chuẩn EURO I

và sản xuất được năng lượng điện có giá thành rất rẻ Ở Việt Nam hiện nay đã có một số cơ sở tư nhân lắp ráp chế tạo máy phát điện từ các động cơ nổ của xe hơi cũ đang vận hành rất tốt Tuy nhiên chưa có một đề tài nào ghi nhận các thông số kỹ thuật về mức sử dụng nhiên liệu, hàm lượng khí xả vào môi trường, tiếng ồn tạo ra…từ hoạt động của máy nổ Xuất phát từ những nguyên nhân đó được sự đồng ý của Bộ môn Công Nghệ Sinh Học cùng với sự hướng dẫn của TS Dương Nguyên Khang chúng tôi tiến hành đề tài:

“Khảo sát hoạt động của máy phát điện công suất 2 kVA sử dụng nhiên liệu

biogas được ủ từ phân heo”

chất đƣợc trình bày cụ thể trong phần lên men tạo CH4 là thành phần chính của biogas

Metan là chất dễ cháy, nhiệt độ bắt lửa 537 0C, nhiệt

độ khi cháy có thể đạt đến 2148 0

C, tỉ lệ có thể bắt lửa (5 – 15)% thể tích Đốt cháy hoàn toàn 1m3 metan sinh ra năng lƣợng khoảng (5500 – 6000) kcal

Khí amoniac (NH 3 )

Amoniac còn có tên là hydrogen nitride, spirit of hartshorn, nitrosil,

NH3…Amoniac tồn tại trong biogas ở thể khí

 Tính chất vật lý

Amoniac có mùi khai, không màu nhẹ hơn không khí 0,589 lần, khối lượng riêng 0,6381 kg/m3, nhiệt độ đông đặc -77,730C, nhiệt độ hoá lỏng -33,340C Ở 00

C, 88,9g amoniac có thể hoà tan hoàn toàn trong 100 ml nước

C 0,25g H2S hoà tan hoàn toàn vào 100

ml nước

 Tính chất hoá học

H2S là khí độc ảnh hưởng đến sức khoẻ con người Lượng H2S trong không khí dưới 0,0047 ppm người ta ngửi thấy mùi trứng thối, trên1000 ppm sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến đường hô hấp H2S là khí của acid yếu, ít có khả năng ăn mòn kim loại Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao H2S phản ứng với oxi tạo ra các hợp chất có tính acid mạnh hơn, có thể ăn mòn kim loại rất nhanh

Các thành phần khác

Trong biogas còn có một số loại khí khác nhưng chỉ chiếm một lượng nhỏ, không đáng kể và cũng không gây ảnh hưởng đến tính chất của biogas

2.1.4 Cơ chế tạo thành khí sinh học trong hệ thống biogas

Sự tạo thành khí sinh học là một quá trình lên men phức tạp xảy ra qua nhiều phản ứng, cuối cùng tạo ra CH4 và CO2 và một số chất khác Quá trình này được thực hiện theo nguyên tắc phân hủy kỵ khí, dưới tác động của các vi sinh vật yếm khí để phân hủy những chất hữu cơ ở dạng phức tạp chuyển thành dạng đơn giản là chất khí và các chất khác

Sự phân hủy kỵ khí diễn ra qua nhiều giai đoạn tạo ra hàng ngàn sản phẩm trung gian nhờ sự hoạt động của nhiều chủng loại vi sinh vật đa dạng Đó là sự phân hủy protein, tinh bột, lipid để tạo thành acid amin, glyceryl, acid béo, acid béo bay hơi, methylamin, cùng các chất độc hại như tomain (độc tố thịt thối), sản phẩm bốc mùi như indole, scatole Ngoài ra còn có các liên kết cao phân tử mà nó không phân hủy được bởi vi khuẩn yếm khí như lignin

Tiến trình tổng quát như sau:

(C6H10O5)n + n H2O = n C6H12O6Một phần CH4 đã bị giữ lại trong một số sản phẩm quá trình lên men bằng cách kết hợp với các ion K+

, Ca2+, NH4+, Na+ Do đó, hỗn hợp khí sinh ra có từ 60 – 70

% CH4 và khoảng 30 – 40% CO2

Những chất hữu cơ liên kết phân tử thấp như đường, đạm, tinh bột và ngay cả cellulose có thể phân hủy nhanh tạo ra acid hữu cơ Các acid hữu cơ này tích tụ nhanh sẽ gây giảm sự phân hủy Ngược lại, lignin, cellulose được phân hủy từ từ nên gas được sinh ra một cách liên tục Tóm lại, quá trình tạo khí metan có thể diễn

ra theo hai con đường và mỗi con đường theo 2 giai đọan sau:

a Con đường thứ nhất

Giai đoạn 1

Sự acid hoá cellulose: (C6H10O5)n + H2O = 3n CH3COOH

Sự tạo muối: các bazơ hiện diện trong môi trường (đặc biệt là

NH4OH) sẽ kết hợp với acid hữu cơ

CH3COOH + NH4OH = CH3COONH4 + H2O

Giai đoạn 2: Lên men metan do sự thủy phân của muối hữu cơ

CH3COONH4 + H2O = CH4 + CO2 + NH4OH

b Con đường thứ hai

Giai đoạn 1

Sự acid hoá: (C6H10O5)n + nH2O = 3nCH3COOH

Thủy phân acid tạo CO2 và H2

CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O Giai đoạn 2

Metan được tổng hợp từ một số trực khuẩn khi sử dụng CO2 và H2

CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O Như vậy, cả hai con đường năng suất tạo khí metan phụ thuộc vào quá trình acid hoá Nếu quá trình lên men quá nhanh hoặc dịch phân có nhiều chất liên kết phân tử thấp sẽ dễ dàng bị thủy phân nhanh chóng đưa đến tình trạng acid hoá và ngưng trệ quá trình lên men metan

Mặt khác, vi sinh vật tham gia trong giai đoạn một của quá trình phân hủy kỵ khí đều thuộc nhóm biến dưỡng cellulose Nhóm vi khuẩn này hầu hết có các enzyme cellulolase và nằm rải rác trong các họ khác nhau Hầu hết là các trực trùng

có bào tử, có trong các họ: Clostridium, Plectridium, Caduceus, Endosponus, Terminosponus Chúng biến dưỡng ở điều kiện yếm khí cho ra CO2, H2 và một số các chất tan trong nước như formate, acetat, alcohol, methylique, methylamine

2.1.5 Một số mô hình tạo khí biogas đang được ứng dụng hiện nay[7]

a Loại hầm ủ nắp cố định

Loại hầm nắp cố định được xây bằng gạch có vòm chứa gas đúc liền với bể chứa dịch phân, thể tích bể chiếm 75% dung tích thiết kế, vòm chứa gas chiếm 25% thể tích thiết kế, phần bể điều áp chiếm 25 - 30% thể tích tùy nhu cầu gas cần khai thác

Loại bể này kích thước tùy theo nhu cầu xử lý của hộ chăn nuôi (tùy số lượng đàn heo mà thiết kế thể tích bể chứa cho phù hợp để xử lý) cấu tạo của bể thường hình trụ tròn, vòm chứa gas hình chóp cụt, bể điều áp hình chữ nhật hay tròn, vuông

tùy địa hình, tại Đồng Nai và các vùng lân cận thường ứng dụng loại bể 5 m3, 10

m3, 20 m3 – 30 m3

Ưu điểm: độ bền cao nên sử dụng được lâu, thể tích lớn cho gas nhiều

Nhược điểm: đòi hỏi kỹ thuật cao, tốn kém, đào đất nhiều, vùng trũng phải bơm nước khi thi công

b Loại hầm ủ nắp vòm cầu do chương trình phát triển khí sinh học quốc gia

phổ biến

Hầm ủ nắp cố định vòm cầu được xây bằng gạch đinh gồm bể chứa dịch phân hủy liền với vòm chứa gas theo nguyên tắc bể điều áp giống loại hầm cố định của Đồng Nai tuy nhiên phần vòm được xây bằng gạch cuốn tô trát 2 lớp vữa mác 75 và

xử lý 3 lớp chống thấm, phần nắp đậy rời, bề điều áp hình bán cầu hoặc hình vuông tùy địa hình, thể tích chung của các bể từ 5 m3, 10 m3 gần đây có phổ biến loại 20

m3 Đặc điểm hầm xây dựng nhanh không phải đúc đỡ tốn sắt thép và cốt pha Tuy nhiên đòi hỏi thợ xây phải có kỹ thuật cao, đối với vùng nước ngập khó thi công, những nơi cần chăn nuôi và tận dụng mặt bằng trên mặt hầm khó áp dụng Các loại

bể quy mô lớn thuộc các trang trại từ 50 m3

trở lên khó áp dụng Loại hầm này xây dựng rất tốn kém, đòi hỏi trình độ kỹ thuật rất cao, thường chỉ áp dụng cho các trang trại lớn

c Các loại túi biogas

Đối tượng: các hộ chăn nuôi ít đất rộng phù hợp cho vùng nông thôn ngoại thành Hệ thống gồm mương dẫn nước thải từ các nguồn thải tự chảy vào túi phân hủy hình sống gồm 3 lớp túi nhựa dẻo polyetylen dày 0,3 – 0,5 mm đường kính 1

m, dài 8 – 12 m tùy lượng phân, chất thải và nhu cầu xử lý Chu kỳ phân hủy thường chọn T = 30 ngày trong điều kiện nhiệt độ trung bình 25 – 350

C Vi sinh vật lên men có sẵn từ các loại phân gia súc trong điều kiện kỵ khí (không có không khí)

Lượng khí metan được sinh ra sau quá trình lên men chiếm 50 - 70% được khai thác tận thu làm chất đốt, chất thải giảm mùi từ 70 - 80% có thể pha loãng hay sục khí tiếp theo dùng cho tưới cây hoặc nuôi cá

Túi chứa khí gồm 2 ống hình trụ dài 3,5 – 4 m lồng vào nhau được cột chắc theo hướng dẫn của kỹ thuật viên, đảm bảo khí kín tuyệt đối, đường ống dẫn gas đến 2 bếp, có hệ thống thoát nước đọng và chống tăng áp đột ngột (Đồng Nai đã lắp đặt trên 7.000 túi các loại) Loại hầm này hiện nay phát triển rộng rãi nhiều nơi do dạng hầm này lắp đặt nhanh giá lại rẽ thu hồi vốn trong vòng 1 năm

2.1.6 Tiềm năng và ý nghĩa của biogas [1]

a Tiềm năng

Theo thống kê sơ bộ của tổng cục thống kê Việt Nam, trong năm 2005 cả nước

có trên 119.586 trang trại chăn nuôi

 Miền bắc

- Lượng khí biogas lấy được từ lợn ở miền bắc

13.241.900 con 2,44 kg phân/ngày/con =32.310.236 kg phân/ ngày

32.310.236 kg phân/ ngày 0,04 =1.453.960,62 m3

gas/ngày (1 kg phân lợn ủ trong 45 ngày sẽ phát sinh 0,045 m3 gas)

- Lượng khí biogas lấy được từ bò và trâu ở miền bắc

3.411.000 con 14 kg phân/ngày/con =47.754.000 kg phân/ngày

47.754.000 kg phân/ngày 0.036 =1.719.144 m3 gas /ngày

(1kg phân bò hoặc trâu ủ yếm khí trong 50 ngày sẽ phát sinh 0.036 m3

) Tổng lượng khí biogas thu được từ lợn, bò và trâu ở miền bắc

1.453.960,62 m3 gas/ngày + 1.719.144 m3 gas/ngày =1.865.104,62 m3 gas/ngày

 Miền trung

- Lượng khí biogas lấy được từ lợn ở miền trung

7.746.500 con 2,44 kg phân/ngày/con = 18.901.460 kg phân/ngày

18.901.460 kg phân/ngày 0.045 =850.565,7 m3 gas/ngày

- Lượng khí biogas lấy được từ trâu và bò ở miền trung

3.697.000 con 14 kg phân/ngày/con =51.758.000 kg phân/ngày

51.758.000 kg phân/ngày 0.036 = 1.863.288 m3 gas/ngày

Tổng lượng khí biogas thu được từ lợn, bò và trâu ở miền trung

850.565,7 m3 gas/ngày + 1.863.288 m3 gas/ngày = 2.713.853,7 m3 gas/ngày

 Miền nam

- Lượng khí biogas lấy được từ lợn ở miền nam

6.446.600 con 2,44 kg phân/ngày/con = 15.729.704 kg phân/ngày

15.729.704 kg phân/ngày 0.045 = 707.836,68 m3 gas/ngày

- Lượng khí biogas lấy từ phân bò và trâu ở miền nam

1.362.100 con 14 kg phân/ngày/con =19.69.400 kg phân/ngày

19.69.400 kg phân/ngày 0,036 = 686.498,4 m3 gas/ngày

Tổng lượng khí biogas thu được từ lợn, bò và trâu ở miền nam

707.836,68 m3 gas/ngày + 686.498,4 m3 gas/ngày = 1394335,08 m3 gas/ngày Tổng lượng khí biogas thu được từ lợn, bò và trâu ở miền nam

Tổng lượng biogas thu được cả nước là:

= 1.865.104,62 + 2.713.853,7 + 1.394.335,08 = 5.973.293,4 m3 gas/ngày Thực tế 1 m3 biogas ở áp suất 1atm, nhiệt độ 280C, có thể làm nguồn thắp sáng

từ 60 – 100 W trong 6 giờ, nấu ăn được 3 bữa ăn cho 5 – 6 người và thay thế cho nhiên liệu tương đương với 1,15 lít xăng

Vì vậy, nếu tận dụng thu gồm tất cả chất thải các trại chăn nuôi lợn, bò và trâu trên cả nước thì có thể cho ta lượng khí biogas trong ngày quy ra nhiên liệu xăng là: 5.973.293,4 m3 gas/ngày 1,15 6.869.287,41 lít xăng/ngày Từ đó cho thấy, tiềm năng biogas ở nước ta rất lớn

ra, việc sử dụng nhiên liệu biogas còn giảm đáng kể lượng khí thải thoát ra từ động

cơ so với nhiên liệu truyền thống, đảm bảo cho môi trường xanh sạch

2.2 Tình hình nghiên cứu biogas trong và ngoài nước

2.2.1 Tình hình trong nước

Các nhà khoa học ở Phân viện Kỹ thuật công binh (Bộ Quốc phòng) phối hợp với Trung tâm Nhiệt - Thủy - Khí - Động học trường Đại học Bách khoa Hà Nội vừa thực hiện thành công công trình sử dụng khí sinh học chạy máy phát điện công suất nhỏ, phục vụ các hộ gia đình, trang trại chăn nuôi và làng nghề… So sánh nhiệt lượng hữu ích của 1 m3 khí sinh học tương đương với 0,96 lít dầu, bằng 4,7

kW điện, gần 4,4 kg củi gỗ và hơn 6 kg rơm rạ[8]

GS.TSKH Bùi Văn Ga, giám đốc đại học Đà Nẵng, được TS Nhan Hồng Quang (Phân viện Bảo hộ lao động và Bảo vệ môi trường miền Trung Tây Nguyên) triển khai tại xã Hoà Ninh, huyện Hoà Vang Nhóm nghiên cứu đã chuyển đổi thành công động cơ máy phát điện chạy bằng diesel sang chạy bằng khí biogas đã qua xử

lý[11]

Anh Võ Thanh Phong năm 2005 cải tiến động cơ ôtô hết thời kỳ sử dụng để sản xuất ra máy phát điện chạy bằng khí mê tan Đến giữa năm 2007 anh đã lắp đặt được trên 100 máy phát điện mini công suất từ 10 – 30 kW

Gia đình anh Đặng Đức Binh ở xã Xuân Quan, Văn Giang, Hưng Yên mua

một máy phát điện 3kW về thay bình xăng, chỉ cần dùng các túi nilông để chứa gas dẫn vào máy phát điện, máy khởi động và phát điện bình thường như dùng xăng và

đã phục vụ sinh hoạt từ bóng đèn, quạt, tivi đến máy bơm nước, đun nấu, sưởi ấm

cho lợn và các tiện nghi khác được hoạt động hết công suất mà điện vẫn ổn định[14]

2.2.2 Tình hình ngoài nước[5]

Việc nghiên cứu và ứng dụng Biogas đã xuất hiện từ lâu Phát triển mạnh

nhất là ở các nước Trung Quốc, Ấn Độ, Thụy Điển, Đức, Đan Mạch …

Ở Trung Quốc, tổng sản lượng biogas của cả nước là 2000 triệu m3/năm biogas chủ yếu được sử dụng và mục đích đun nấu, thắp sáng hay chạy các động cơ phát điện Cho đến năm 1979, Trung Quốc đã có 301 trạm phát điện nhỏ sử dụng

biogas

Ở Ấn Độ, chương trình năng lượng và và nước sạch nông thôn đã được triển khai từ những năm 90 của thế kỷ trước Hàng năm có khoảng 200.000 hộ gia đình

Ấn Độ chuyển từ sử dụng năng lượng củi đốt sang sử dụng biogas Cho đến nay Ấn

Độ đã có đến hơn 2.000.000 trạm biogas

Ở Đức, tốc độ xây dựng các công trình khí sinh học tăng từ 100 thiết bị/ năm trong những năm 1990 lên tới 200 thiết bị/năm vào năm 2000 Hầu hết các công trình có thể tích phân hủy từ 1000 tới 1500 m3, công suất khí 100 tới 500 m3 Có trên 30 công trình quy mô lớn với thể tích phân hủy từ 4000 tới 8000 m3 Khí sinh học sinh ra được sử dụng để cung cấp cho các tổ máy đồng phát nhiệt và điện có công suất điện là 20, 150, 200, và 500 kWe Tới cuối năm 2002, đã có trên 1200

công trình khí sinh học, góp 1,7% sản lượng điện từ năng lượng tái tạo[6]

Ở Châu Âu, người ta đã chế tạo các loại động cơ chạy bằng biogas sản xuất chủ yếu từ các nhà máy xử lý chất thải, các loại động cơ hai kỳ (n=400-1250 vòng/phút), công suất 42 HP, các loại động cơ tốc độ cao, đa xylanh của hãng Cantebury có thể cho công suất lên đến 105 KWh ở Anh, Đức, một số sản phẩm đã được ứng dụng rộng rãi ra thực tế như tàu lửa chạy bằng biogas ở Thụy Điển, xe hơi Hybrid bán rất chạy ở Mỹ … Các giải pháp động cơ lưỡng nhiên liệu (Biogas – Diesel) cũng đã được nghiên cứu và ứng dụng ở Đan Mạch, Đức, Thụy Điển …

2.3 Sơ lượt vài nét về động cơ máy 2 kVA [1]

Máy phát điện 2KVA đang khảo sát là một động cơ đốt trong, động cơ 4 kỳ có thể hoạt động tốt cả 2 loại nhiên liệu xăng hay biogas

Nguyên lý hoạt động của máy như sau

2.3.1 Khái niệm động cơ đốt trong bốn kỳ

Là động cơ mà một chu kỳ hoàn thành trong 4 hành trình Nói cách khác, piston phải chạy lên xuống 4 lần và trong 4 hành trình của piston chỉ có một hành trình sinh công Trong mỗi chu kỳ của động cơ đốt trong xảy ra 4 quá trình liên tiếp nhau: Kỳ nạp, kỳ nén, kỳ nổ, kỳ xả

Kỳ nạp: Piston đi từ ĐCT đến ĐCD; xupap hút mở cho phép hút môi chất vào trong xylanh

Kỳ nén: Cả hai xupap hút và xả đều đóng kín, piston đi từ ĐCD đến ĐCT Môi chất bên trong xylanh bị nén; dẫn đến áp suất, nhiệt độ trong xylanh tăng nhanh

Kỳ nổ: Cả hai xupap vẫn đóng kín Khi piston ở gần ĐCT môi chất bên trong xylanh bị đốt cháy, sinh công và toả nhiệt, áp suất và nhiệt độ tăng vọt lên rất cao đẩy piston đi xuống sinh ra công làm quay trục khuỷu Ở động cơ 4 kỳ thì kỳ nổ là kỳ sinh công duy nhất

Kỳ xả: Xupap xả mở, piston đi từ ĐCD đến ĐCT đẩy toàn bộ lƣợng khí đã cháy ra ngoài xylanh Kết thúc một chu trình của động cơ Sau đó piston tiếp tục đi xuống lặp lại kỳ hút Cứ nhƣ vậy động cơ vận hành liên tục

Nhóm piston: Chuyển động tịnh tiến trong xylanh, chịu tác dụng trực

tiếp của lực khí thể trong xylanh và truyền lực tác động này lên thanh truyền, trục khuỷu và bánh đà để mang ra ngoài Nhóm piston bao gồm

Piston: Là chi tiết chịu lực tác dụng trực tiếp áp lực khí thể trong buồng

cháy va truyền lực tác dụng đó qua thanh truyền và trục khuỷu Cùng với secmăng, xylanh và nắp máy, piston tạo thành buồng khí chứa môi chất công tác

Secmăng: Có nhiệm vụ bao kín buồng xylanh ngăn dầu bôi trơn vào

buồng xylanh trong quá trình động cơ hoạt động và bơm dầu lên bôi trơn thành xylanh

Chốt piston: Là chi tiết nối piston với thanh truyền và truyền lực tác

dụng của khí thể từ piston xuống thanh truyền Chốt piston thường có cấu tạo hình trụ rỗng và được lắp lỏng với bệ chốt piston và đầu nhỏ thanh truyền

Thanh truyền: Là chi tiết trung gian, trong đó đầu nhỏ lắp ghép với

piston, đầu lớn liên kết với chốt khuỷu Thanh truyền có nhiệm vụ truyền lực tác dụng từ piston đến trục khuỷu

Bộ chia điện: Nhiệm vụ của bộ chia điện là phân điện áp đến từng bugi

theo đúng thứ tự xilanh vào đúng thời điểm, để có thể bật tia lửa đốt cháy hòa khí vào cuối kỳ nén Bộ chia điện có thể được dẫn từ trục khuỷu hoặc trục cam Đối với động cơ khảo sát đầu ra của bộ chia điện được nối với

4 bugi tương ứng ở từng xilanh Thứ tự các bugi tương ứng với một vòng quay bộ chia điện là 1-3-4-2, tương ứng với thứ tự nổ của động cơ

Bôbin: Là một biến thế, gồm hai cuộn dây; với số vòng khác nhau cùng

quấn trên cùng một lõi sắt từ Số vòng dây của cuộn thứ cấp nhiều hơn gấp nhiều lần số vòng của cuộn sơ cấp Khi xuất hiện điện áp biến thiên

từ cuộn sơ cấp, sinh ra từ trường biến thiên trong lõi sắt từ, từ trường biến thiên này xuyên qua cuộn thứ cấp và sinh ra dòng điện trong cuộn thứ cấp

Nhiệm vụ của Bôbin là tạo ra điện áp rất cao, khoảng 45-50 kV Ở mức điện áp này có thể tạo ra tia lửa điện phóng qua khe hở nhỏ khoảng 2

mm, kèm theo nhiệt và tiếng nổ Điện áp cao sinh ra từ bôbin được dẫn đến bộ chia điện thông qua các dây dẫn được cách ly cao áp

Bugi: Nhiệm vụ là tạo ra tia lửa điện nhờ khoảng hở giữa hai cực của

bugi Khi xuất hiện tia lửa, sinh ra nhiệt độ cao và làm bốc cháy hòa khí ngay giữa khoảng hở này Sau khi cháy, màng lửa tiếp tục lan rộng ra khắp buồng cháy Như vậy hòa khí đã được đốt cháy

2.3.2.3 Bộ phận phân phối khí

Có cấu tạo gồm nhiều bộ phận nhưng quan trọng nhất là các phần sau

Xupap: Có nhiệm vụ đóng mở các cửa nạp và cửa xả Cấu tạo xupap

gồm 3 phân chính: tán xupap, thân xupap và đuôi xupap

Đũa đẩy: Dùng trong hệ thống phân phối khí có xupap treo Đũa đẩy có

nhiệm vụ truyền lực từ con đội đến đòn bẩy

Con đội: Gồm có phần thân để dẫn hướng và phần mặt tiếp xúc với cam

phân phối khí Thân con đội có dạng hình trụ còn phần tiếp xúc có nhiều dạng khác nhau Con đội có nhiệm vụ nhận lực trực tiếp từ cam truyền đến đũa đẩy hay đuôi xupap để đóng mở xupap

Đòn bẩy: Là chi tiết truyền lực trung gian một đầu tiếp xúc với đũa đẩy,

một đầu tiếp xúc với đuôi xupap Khi trục cam nâng con đội lên, đũa đẩy đẩy vào một đầu của đòn bẩy đi lên, đầu kia đòn bẩy nén lò xo xupap xuống và mở xupap

Trục cam: Có nhiệm vụ dẫn động xupap đóng mở theo một trình tự nhất

định

2.3.2.4 Bộ phận nhiên liệu

Hệ thống nhiên liệu của động cơ đang khảo sát sử dụng phương pháp hoà trộn trước bao gồm các chi tiết: Bình chứa, các ống dẫn, lọc, bơm nhiên liệu, bộ chế hòa khí… Tuy nhiên ở hệ thống nhiên liệu quan trọng nhất là bộ chế hoà khí Bộ chế hòa khí có nhiệm vụ tạo ra hỗn hợp đồng nhất giữa nhiên liệu và không khí theo một tỉ lệ thích hợp nhằm giúp cho hỗn hợp này được cháy hoàn toàn.Thông thường

tỉ lệ hỗn hợp được tính bằng tỉ lệ khối lượng giữa nhiên liệu và không khí Đối với động cơ xăng tỉ lệ này là 1:14,7 nhưng đối với động cơ chạy bằng biogas thì tỉ lệ

này là 1:12,5 [4 ]

Các bộ phận chính của bộ chế hoà khí

 Bơm giữ mực: Nhiệm vụ của bình giữ mực là tích trữ một lƣợng xăng trong nó nhằm đảm bảo cho bộ chế hoà khí làm việc ổn định Trong bình giữ mực có hệ thống phao, kết cấu của hệ thống phao cho phép đảm bảo nhiệm vụ của bình giữ mực Khi mực xăng hạ thấp xuống, phao hạ xuống, đồng thời mở van kim cho phép xăng chảy vào trong bình giữ mực; khi mực xăng trong bình dâng cao, phao đƣợc nâng lên, van kim đóng lại ngăn không cho xăng tiếp tục chảy vào

 Mạch tốc độ thấp sơ cấp: Nhằm cung cấp nhiên liệu cho động cơ khi làm việc ở chế độ ít tải

 Mạch tốc độ cao sơ cấp: Có nhiệm vụ cung cấp nhiên liệu cho động cơ khi làm việc ở chế độ tải vừa và nặng

 Mạch tốc độ thấp thứ cấp: Giúp cho động cơ không bị giật trong quá trình tăng tốc

 Mạch tốc độ cao thứ cấp: Cung cấp thêm nhiên liệu cần thiết cho động

cơ khi chuyển từ chế độ làm việc vừa sang tải nặng

Hình 2.2 Sơ đồ bộ chế hòa khí

2.3.3 Cấu tạo động cơ đã được chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu biogas

Về cơ bản động cơ sử dụng nhiên liệu biogas cũng là một động cơ đốt trong nhưng đã được chuyển đổi và thêm vào một số bộ phận cho phù hợp với đặc tính của biogas Cụ thể như sau

 Hệ thống nhiên liệu: giữ nguyên bộ chế hoà khí, lắp thêm bộ trộn để sử

dụng gas Bộ trộn được lắp vào phía trước của bộ chế hoà khí và sử dụng phương pháp hòa trộn trước Nhiên liệu và không khí được hòa trộn hình thành hòa khí trước khi hút vào động cơ Bộ trộn có nhiệm vụ hòa trộn không khí và biogas thành một hỗn hợp có tỉ lệ thích hợp với từng chế độ làm việc của động cơ Như vậy động

cơ vừa có thể chạy bằng nhiên liệu xăng cũng như biogas Ngoài ra còn có thêm hệ thống điều khiển tự động chuyển mạch nhiên liệu từ xăng (khi khởi động) sang biogas (khi động cơ đã đạt nhiệt độ)

 Hệ thống đánh lửa: giữ nguyên kết cấu, có trích đường tín hiệu xung NE

đưa vào mạch điều tốc điện tử

 Hệ thống làm mát: lắp thêm két nước

 Bộ điều tốc điện tử: Có tác dụng điều chỉnh tốc độ làm việc của động cơ Bộ

điều tốc điện tử dùng động cơ bước trực tiếp điều khiển bướm ga, hoạt động liên tục cùng với động cơ; vi mạch được chọn là AT89C2051