Nghiên cứu, thiết kế hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử cho xe gắn máy sử dụng biogas

Để giảm lượng độc hại phát ra từ sản phảm khí thải của động cơ đốt trong mà vẫn có thể duy trì được tốc độ phát triển của nền công nghiệp trên thế giới.. Bên cạnh đó các nước này cũng đư

********

HỒ TRỌNG DU

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU

ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CHO XE GẮN MÁY SỬ DỤNG

BIOGAS

Chuyên ngành: Kỹ thuật ô tô – máy kéo

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP H ồ Chí Minh, tháng 7, năm 2011

Trong suốt thời gian làm luận văn em đã gặp rất nhiều khó khăn về chuyên môn

và kinh nghi ệm nghiên cứu Với sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình của các thầy trong

khoa K ỹ Thuật Giao Thông đặc biệt: thầy Nguyễn Ngọc Dũng, Trần Đăng Long,

Hu ỳnh Thanh Công và các bạn cộng tác viên Phòng Thí Nghiệm Trọng Điểm Động Cơ

Đốt Trong, hôm nay luận văn đã hoàn thành Em xin chân thành cám ơn các thầy và

các b ạn trong suốt thời gian qua

Qua đây, em cũng xin cám ơn tổ chức JICA đã hỗ trợ kinh phí và thiết bị để thực

hi ện nghiên cứu này

M ặc dù em đã cố gắng hết sức để hoàn tất luận văn này một cách tốt nhất, nhưng

do ki ến thức còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những sai sót Em rất mong được

s ẽ nhận được sự đóng góp, chia sẻ ý kiến của quý thầy cô cùng các bạn để đề tài có

th ể phát triển ở mức cao hơn

Em xin chân thành cám ơn!

TP Hồ Chí Minh, ngày:… tháng…năm…

H ọc viên thực hiện

Hồ Trọng Du

1.1 Tổng quan về đề tài nghiên cứu 1

1.1.1 Nguy cơ cạn kiệt nguồn năng lượng có nguồn gốc hóa thạch 1

1.1.2 Thực trạng ô nhiễm môi trường 3

1.1.3 Kết luận 6

1.2 Giới thiệu về chung về biogas 7

1.2.1 Tính chất vật lý và hóa học của khí biogas 7

1.2.1.1 Tính chất vật lý 7

1.2.1.2 Tính chất hoá học 13

1.2.2 Công nghệ sản xuất khí biogas 16

1.2.2.1 Nguồn nguyên liệu ban đầu 16

1.2.2.2 Xử lý nguyên liệu 16

1.2.2.3 Quá trình lên men khí mêtan 17

1.2.2.4 Các kiểu hầm biogas thông dụng 20

1.2.3 Công nghệ lọc khí biogas 24

1.2.3.1 Loại bỏ hơi nước 24

1.2.3.2 Lọc H2S 25

1.2.3.3 Lọc CO2 26

1.2.4 Lưu trữ khí biogas 27

Tài li ệu tham khảo Chương 2 Tổng quan tình hình nghiên cứu và sử dụng biogas 30

2.1 Thế giới 30

2.1.1 Ứng dụng khí sinh học biogas ở Châu Âu 30

2.1.2 Ứng dụng khí sinh học biogas ở Châu Á 31

2.1.3 Các nghiên cứu liên quan 32

2.2 Việt Nam 33

2.3 Tính cấp thiết của đề tài 34

2.6.1 Ý nghĩa thực tiễn 37

Tài li ệu tham khảo Chương 3 Phân tích xe cơ sở 39

3.1 Lựa chọn xe cơ sở 39

3.1.1 Lý do chọn xe cơ sở 39

3.1.2 Thông số kỹ thuật xe cơ sở 39

3.2 Hệ thống nhiên liệu xe cơ sở 41

3.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 42

3.2.1.1 Cấu tạo hệ thống nhiên liệu xe Wave S 110 42

3.2.1.2 Nguyên lý hoạt động 47

3.3 Ưu nhược điểm bộ chế hòa khí 49

3.3.1 Ưu điểm 49

3.3.2 Nhược điểm 49

Tài li ệu tham khảo Chương 4 Thiết kế kỹ thuật hệ thống nhiên liệu sử dụng biogas 51

4.1 Lựa chọn phương án 51

4.1.1 Các phương án nghiên cứu 51

4.1.2 Chọn phương án 54

4.2 Thiết kế hệ thống nhiên liệu sử dụng biogas 54

4.2.1 Sơ đồ và nguyên lý hoạt động 54

4.2.2 Tổng quan các chi tiết trong hệ thống 57

Tài li ệu tham khảo Chương 5 Thiết kế hệ thống điều khiển 64

5.1 Lý thuyết hộp điều khiển 64

5.1.2.2 Bộ vi xử lý 65

5.1.3 Cấu trúc ECU 65

5.1.4 Mạch giao tiếp ngõ vào……… 67

5.2 Thiết kế phần mềm hộp điều khiển 69

5.3 Thiết kế phần cứng ECU 73

5.3.1 Cảm biến vị trí bướm ga……… ….….73

5.3.2 Cảm biến áp suất khí nạp……… 75

5.3.3 Cảm biến nhiệt độ khí nạp……….….… 76

5.3.4 Cảm biến oxy……… … 78

5.3.5 Cảm biến nhiệt độ nhớt động cơ……… ….80

5.3.6 Tín hiệu tốc độ động cơ……… 80

5.4 Tính toán lượng biogas cần phun……… ….… 82

5.4.1 Tính toán lượng phun cơ bản……… … 82

5.4.2 Tính toán lượng phun hiệu chỉnh……… … 84

5.4.2.1 Hiệu chỉnh theo nhiệt độ động cơ……….… 85

5.4.2.2 Hiệu chỉnh theo tốc độ biến thiên của tải…… ….86

5.4.2.3 Hiệu chỉnh theo sự thay đổi độ chênh áp suất nhiên liệu 87

5.4.2.4 Hiệu chỉnh theo nhiệt độ nhiên liệu……… ….88

5.4.2.5 Hiệu chỉnh theo điện áp ắc-quy……… … 90

5.4.2.6 Hiệu chỉnh theo thành phần CH4 trong nhiên liệu… 91

Tài li ệu tham khảo Chương 6 Thực nghiệm và tính toán……….… …93

6.1 Thực nghiệm xác định lưu lượng không khí nạp 93

6.1.1 Quy trình thực nghiệm……… ……93

6.1.2 Kết quả……… …94

6.5 Thực nghiệm xác định (A/F)lt……….… 113

6.6 Thực nghiệm xác định đặc tuyến cảm biến vị trí bướm ga…… 117

6.7 Thực nghiệm xác định đặc tính kim phun……… 120

6.7.1 Quy trình thực nghiệm……… 120

6.7.2 Kết quả……… 122

6.7.3 Nhận xét……… 140

6.8 Kết luận……… ………140

Tài li ệu tham khảo Chương 7 Kết luận và hướng phát triển 7.1 Kết luận………142

7.2 Hướng phát triển……….………142

Chương 1 GIỚI THIỆU

1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

Một trong những vấn đề nan giải của nhân loại hiện nay là ô nhiễm môi trường và

nguy cơ cạn kiệt nguồn năng lượng có nguồn gốc hoá thạch Ô nhiễm môi trường gây

ảnh hưởng đến sức khoẻ con người, làm trái đất nóng dần lên, mưa axit… Cạn kiệt năng lượng hoá thạch (dầu mỏ), nguồn nhiên liệu chính để tinh chế xăng, dầu diesel, nhớt…dùng cho động cơ đốt trong hiện nay Cạn kiệt chúng dẫn đến thiếu hụt nghiêm trọng nguồn năng lượng cho nhân loại Vì vậy, thế giới nói chung và nước ta nói riêng phải cố gắng tìm ra giải pháp để khắc phục hai vấn đề trên

1.1.1 Nguy cơ cạn kiệt nguồn năng lượng có nguồn gốc hóa thạch

Những thế kỷ trước đây, vàng từng là cơn sốt của nhân loại Còn bây giờ, cũng là một loại vàng mới đã và đang làm nghiêng ngả cán cân chính trị toàn cầu: dầu mỏ - hay còn gọi là vàng đen Nhiều nhà nghiên cứu dự báo rằng trong vòng 20 nữa thì dầu mỏ vẫn là nguồn năng lượng chính của nhân loại Nó vẫn là nguồn nhiên liệu chính cho động cơ đốt trong Theo hội đồng nghiên cứu năng lượng Anh dự đoán, dầu mỏ sẽ bắt đầu cạn kiệt trước năm 2030, thậm chí trữ lượng dầu sẽ giảm rất nhanh trước năm 2020 nếu nhu cầu tăng nhanh như hiện nay Trữ lượng của các nước đứng đầu về trữ lượng dầu mỏ cũng đang trên đà giảm nhanh, (bảng 1.1, hình 1.1)

B ảng 1.1 Trữ lượng dầu các nước hiện nay [1]

H ình 1.1 Bi ểu đồ dự báo số năm khai thác dầu mỏ còn lại ở các nước căn cứ vào sản

l ượng khai thác cuối năm 2008 [1]

Ở Việt Nam tình hình vấn đề này càng khốc liệt hơn, theo các nhà khoa học địa chất

cho biết nguồn tài nguyên dầu khí có khả năng thu hồi của các bể trầm tích Đệ tam của ta

là 4.300 triệu tấn tính theo dầu quy đổi Trong đó lượng phát hiện là 1.208 triệu tấn và trữ lượng có khả năng thương mại là 814,7 triệu tấn Đến ngày 2.9.2009 tập đoàn Dầu khí Việt Nam đã khai thác được 300 triệu tấn dầu quy đổi Với sản lượng khai thác khoảng 20 triệu tấn dầu quy đổi hàng năm như hiện nay thì chắc chắn 30 năm nữa chúng ta sẽ cạn kiệt dầu khí [1]

1.1.2 Thực trạng ô nhiễm môi trường

* Thế giới

Trong tình hình thế giới đang ngày càng phát triển với tốc độ chóng mặt, sản lượng công nghiệp hằng năm ngày càng tăng nhanh thì nguồn năng lượng tiệu thụ trên thế giới ngày càng lớn Động cơ đốt trong là nguồn cung cấp năng lượng chủ yếu trên trái đât Chính vì vậy mà lượng sản phẩm khí thải từ động cơ đốt trong hằng năm trên thế giới ngày càng tăng, ngây ô nhiễm môi trường nặng nề ảnh hưởng trực tiếp biến đổi khí hậu ngày càng phức tạp, trái đất ngày càng nóng lên,ảnh hưởng rất xấu tới sức khoẻ con người, gây nạn tuyệt chủng động thực vật… trên toàn thế giới

Để giảm lượng độc hại phát ra từ sản phảm khí thải của động cơ đốt trong mà vẫn có thể duy trì được tốc độ phát triển của nền công nghiệp trên thế giới Một số nước có nền công nghiệp phát triển hàng đầu trên thế giới, cũng là các nước có lượng khí thải phát sinh độc hại gây ô nhiễm nhiều nhất trên thế giới như: Mỹ, Nhật Bản và một số nước Châu Âu đã đi đầu trong việc nghiên cứu và đưa ra các biện pháp giảm thiểu lượng khí thải độc hại ra môi trường Bên cạnh đó các nước này cũng đưa ra các tiêu chuẩn về nồng

độ các chất độc hại trong khí thải động cơ và bắt buộc các xe được sản xuất trong nước cũng như các xe nhập khẩu đều phải tuẩn thủ các tiêu chuẩn khí thải

Để đánh giá chất lượng động cơ về phương diện khí thải, động cơ phải được thử nghiệm trong những điều kiện cụ thể và theo một chu trình thử nghiệm quy định Hiện nay trên thế giới có nhiều chu trình thử như: Chu trình của Mỹ, Nhật Bản, Châu Âu… ứng với mỗi chu trình thử là một tiêu chuẩn khí thải Các hệ thống tiêu chuẩn được xây

con và xe tải nhẹ, động cơ xe tải nặng… Ở Châu Âu áp dụng một số chu trình thử như: ECE15, EUDC, NEDC… để thử nghiệm công nhận kiểu cho các dòng xe mới Bắt đầu áp dụng tiêu chuẩn khí thải EURO 1 vào năm 1992, EURO 2 vào năm 1996, EURO 3 vào năm 2000, EURO 4 vào năm 2005 Các tiêu chuẩn ngày càng đòi hỏi khắt khe hơn về nồng độ các chất trong khí thải động cơ [1]

* Việt Nam

Trước tình hình nền kinh tế đất nước đang bước vào giai đoạn đầu của những nước

có nền kinh tế phát triển chúng ta cũng phải tuân theo xu hướng chung của thế giới đó là: phát triển bền vững, tức là phát triển nhưng bảo vệ môi trường Chính vì vậy mà nhà nước

ta đã áp dụng chu trình thử và tiêu chuẩn Châu Âu để thử nghiệm và công nhận kiểu cho các dòng xe Đặc biệt nhà nước ta đã bắt đầu áp dụng tiêu chuẩn EURO 2 từ ngày 01/07/2007 cho tất cả phương tiện vận tải trên đất nước ta Tuy nhiên số lượng phương tiện giao thông chưa đạt tiêu chuẩn này vẫn còn nhiều, gây ô nhiễm không khí nghiêm trọng (hình 1.2) Bởi vì để đạt tiêu chuẩn này cần có nhiều yếu tố: chất lượng nhiên liệu (xăng, dầu diesel), phượng tiện đã quá thời hạn sử dụng

Theo tiêu chuẩn EURO, với động cơ xăng, giới hạn tối đa cho phép của khí thải là không quá 4,5 CO, không quá 1.200 ppm với động cơ 4 kỳ, 7.800 ppm với động cơ 2 kỳ và 3.300 ppm với động cơ có kết cấu đặc biệt Với động cơ diesel, giới hạn là không quá 72% HSU Theo kết quả kiểm tra nồng độ khí thải của các cục đăng kiểm của năm thành phố lớn (Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Đà Nẵng, Cần Thơ, Hải Phòng), trong số 4.469 lượt

xe chạy xăng có 387 lượt xe không đạt chiếm 8,65% Xe chạy dầu diesel thì tỉ lệ không đạt nhiều hơn so với xe chạy xăng, và TP.HCM có tỉ lệ xe không đạt cao nhất

Hình 1.2 Ô nhi ễm do phương tiện giao thông gây ra

Bên cạnh ô nhiễm không khí do khí thải động cơ đốt trong là ô nhiễm do phân gia súc, gia cầm ở các vùng nông thôn và cao nguyên (hình 1.3) Về phương diện phân bón cho cây trồng thì chúng là một là loại phân bón hữu cơ có lợi Tuy nhiên, nếu chúng không được ủ kỹ, hoặc thải ra môi trường một cách bừa bãi thì sẽ gây ra ô nhiễm nghiêm trọng

vì trong chúng có chứa khí mê tan, một trong những chất gây hiệu ứng nhà kính; đặc biệt

là ô nhiễm nguồn nước sinh hoạt Theo kết quả khảo sát tại những xã có nhiều hộ chăn nuôi đã được Sở Khoa học và Công nghệ công bố, nồng độ khí NH3, H2S có trong không khí tại một số nơi đã cao hơn mức cho phép gần 5 lần, độ nhiễm khuẩn trung bình trong chuồng là 18.675 vi sinh vật (cao hơn tiêu chuẩn của Nga 12 lần); nước thải nhiễm Ecoli

và tỷ lệ số mẫu nước thải nhiễm trứng giun cao Hàm lượng COD (nhu cầu oxy hoá học)

có nơi lên đến 3.916 mg/l, trong khi tiêu chuẩn cho phép chỉ từ 100 đến 400 mg/l

Hình 1.3 Phân heo được thải trực tiếp ra môi trường

1.1.3 Kết luận

Đứng trước hai vấn đề lớn của nhân loại, cạn kiệt nguồn năng lượng dầu mỏ và ô

nhiễm môi trường, hiện nay trên thế giới và Việt Nam đang nghiên cứu để tìm ra nguồn

năng lượng thay thế cho dầu mỏ Không chỉ là nguồn năng lượng thay thế mà còn giải quyết được vấn đề ô nhiễm môi trường Có nghĩa là nguồn năng lượng ấy được tái tạo từ những phế thải, từ những thứ mà gây ra ô nhiễm môi trường Và khi sử dụng không gây tạo ra những chất gây ô nhiễm Sản xuất biodiesel bằng mỡ cá basa dùng cho động cơ đốt trong ở các tỉnh đồng bằng Sông Cửu Long nước ta là một ví dụ Trong những năm gần đây phong trào sản xuất khí sinh học biogas từ phân gia súc ở các vùng nông thôn nước ta rất phổ biến Và dùng làm nhiên liệu thay thế cho xăng/dầu dùng trong động cơ đốt trong: động cơ máy phát điện, xe gắn máy… Vì nguyên liệu chính để sản xuất loại khí này là những phế phẩm từ xác thực vật, phân gia súc, gia cầm; nên sẽ góp phần giảm ô nhiễm do chúng gây ra

Việt Nam là nước nông nghiệp nên nguồn nguyên liệu để sản xuất biogas rất dồi dào và

đa dạng Nên thiết kế các hầm biogas đặc trưng cho từng loại nguyên liệu Thời gian gần đây vấn đề ô nhiễm Sông Thị Vải do nước thải công ty Vedan đã làm ô nhiễm nguồn nước nghiêm trọng, nên việc thiết kế hầm biogas cho nguồn nước thải này là cần thiết Sản xuất khí sinh học từ những phế phẩm là một trong những biện pháp hữu hiệu để góp phần bảo vệ môi trường, và sử dụng tiết kiệm nguồn năng lượng có sẵn (dầu mỏ) Do vậy cần được mở rộng quy mô sản xuất và ứng dụng mô hình này trong thực tiễn.Việt Nam có đầy đủ điều kiện và tiềm năng để thực hiện vấn đề đó

1.2 GIỚI THIỆU CHUNG BIOGAS

Biogas hay còn gọi là khí sinh học được sản xuất từ quá trình ủ phân rác, phân hữu

cơ, bùn cống rãnh để tạo ra nguồn khí sinh học sử dụng trong hộ gia đình hay trong sản xuất

1.2.1 Tính chất vật lý và hóa học của khí biogas

1.2.1.1 Tính chất vật l ý

B ảng 1.2: So sánh đặc tính giữa khí thiên nhiên và khí biogas

Hình 1.4 T ốc độ cháy (m/s) của mê tan, propane và isooctane (điều kiện ban đầu áp suất

30 bar, nhi ệt độ 900 0 K)

Từ bảng 1.2 và hình 1.4 ta thấy rằng khí biogas có những đặc tính tương tự như khí thiên nhiên (NG) Nhiệt trị của khí biogas nhỏ hơn nhiệt trị khí thiên nhiên, vì ngoài thành phần chính là khí mê tan, khí biogas còn có những tạp chất như CO H O2, 2 (không cháy được) nên nhiệt trị giảm xuống Tuy nhiên, thành phần tạp chất này chiếm tỉ lệ không lớn, thành phần chính là khí mê tan chiếm 50-70% Nhiệt độ bắt lửa cao hơn so với khí thiên nhiên, vấn đề này có thể khắc phục bằng cách gia nhiệt: tăng cường độ đánh lửa của bugi, tăng tỉ số nén động cơ….Và động cơ biogas có khả năng chống kích nổ cao, vì chỉ số octance lớn Chính những điều trên, biogas có thể dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong đánh lửa cưỡng bức

a Nhiệt trị và khối lương riêng

Nhiệt trị phụ thuộc vào lượng khí mêtan có trong thành phần của khí biogas Lượng khí CH4chiếm thể tích càng lớn thì nhiệt trị càng cao, và ngược lại (hình 1.5)

Hình 1.5 Nhi ệt trị của biogas theo khối lượng riêng và phần trăm thể tích CH4[2]

Hình 1.6 Kh ối lượng riêng của khí biogas theo nhiệt độ và áp suất [2]

b Giới hạn cháy

Giới hạn cháy của biogas là giới hạn dưới và giới hạn trên hàm lượng biogas (% thể tích biogas) trong hỗn hợp biogas/không khí mà hỗn hợp có thể cháy Giới hạn cháy của biogas phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng CH4trong khí biogas

BG

P

Hình 1.7 Gi ới hạn cháy phụ thuộc vào % thể tích CH4và h ơi nước trong khí biogas [3]

Từ đồ thị (hình 1.7) ta thấy rằng hàm lương khí mê tan trong khí biogas tăng thì giới hạn cháy giảm, giới hạn cháy là một thông số quan trong trong việc thiết kế bộ hòa trộn biogas/ không khí của thiết bị - động cơ nhiệt, cũng như hệ thống chống và báo cháy biogas trong hệ thống lưu trữ và phân phối biogas

c Nhiệt độ cháy cao nhất

Nhiệt độ cháy cao nhất của hỗn hợp biogas/không khí là một thông số quan trong ảnh

hưởng trực tiếp đến hiệu suất nhiệt, nhiệt độ của thiết bị - động cơ nhiệt và hàm lượng

NOx trong khí thải của các thiết bị động cơ nhiệt.[3]

Hình 1.8 Nhi ệt độ cháy phụ thuộc vào % thể tích CH4và h ơi nước trong khí biogas[3]

Từ đồ thị (hình 1.8) ta thấy rằng % CH4trong biogas càng lớn thì nhiệt độ cháy càng cao Nhiệt độ cháy là một thông số quan trọng trong việc thiết kế kết cấu buồng cháy, hệ thống làm mát, hệ thống bôi trơn, hệ thống thải,… của thiết bị- động cơ nhiệt

d Nhiệt độ tự cháy và chỉ số octane

Nhiệt độ tự cháy là nhiệt độ mà ở đó vật chất tự cháy mà không cần sự hiện diện của tia lửa hay ngọn lửa mồi CH4 là nhiên liệu khí có nhiệt độ tự cháy rất cao, nên biogas có nhiệt độ tự cháy rất cao Với nhiệt độ tựu cháy cao như vậy CH4 được đánh giá là nhiên liệu có khả năng cháy chống kích nổ cao với chỉ số octane lớn hơn 127 Nhờ đó, biogas

có thể dùng trong những động cơ cháy cưỡng bức có tỉ số nén cao mà hiện tượng kích nổ không xảy ra

B ảng 1.3 Nhiệt độ tự cháy của các nhiên liệu [4]

Nhiệt độ tự cháy Nhiên liệu

% thể tích CH4 trong hỗn hợp biogas/ không khí và % thể tích CO2 trong biogas

Hình 1.9 V ận tốc cháy phụ thuộc vào lượng CH4 , CO2trong khí biogas.[3]

Từ đồ thị (hình 1.9) ta thấy rằng hàm lượng CO2tăng thì vận tốc lan tràn màng lửa sẽ giảm Tuy nhiên, vận tốc lan truyền màng lửa của hỗn hợp biogas/ không khí không biến đổi tuyến tính theo sự thay đổi hàm lượng CH4 trong hỗn hợp, và vận tốc lan truyền màng lửa đạt giá trị lớn nhất khi % thể tích CH4 khoảng 9%-10% thể tích hỗn hợp

1.2.1.2 Tính chất hóa học:

Tính chất hóa học của biogas được đặc trưng bỡi những tính chất của các chất có trong thành phần của nó Khí biogas là một hỗn hợp với các thành phần khí khác nhau trong đó khí mêtan chiếm tỷ lệ phần trăm thể tích lớn nhất, do vậy tính chất hóa học của mêtan cũng là tính chất hóa học đặc trưng của khí biogas

a Khí mê tan : chiếm 50-70% [6]

Công thức phân tử: CH4

Công thức cấu tạo:

Khí mêtan là hydrocacbon no đơn giản thuộc họ parafin có công thức cấu tạo chung

CnH2 +n 2, là khí không màu không mùi và nhẹ hơn không khí, có khối lượng riêng 0.72 kg/Nm3ở điều kiện chuẩn CH 4 có nhiệt độ đông đặc và hóa lỏng rất thấp lần lượt là -182,50C, -1640C, do vậy khí mêtan rất khó lưu trữ ở trạng thái lỏng, vì vậy khí mêtan chỉ tồn tại ở dạng khí nhiệt theo thể tích rất thấp 36 MJ/Nm3 CH 4 có nhiệt độ tự cháy và chỉ

số octan cao lần lượt là 5400C và 1200C, vì vậy khí CH4 có thể dùng trong những động

cơ có tỉ số nén cao nhằm tăng hiệu suất nhiệt mà không xuất hiện hiện tượng cháy kích nổ động cơ

Khí mêtan còn là chất khí nên rất dễ hòa trộn và phản ứng với không khí theo phản ứng dưới đây, sản phẩm quá trình cháy có hàm lượng khí thải rất thấp Năng lượng phát sinh

từ biogas phần lớn do khí mê tan cháy sinh ra

Phản ứng cháy của khí mê tan trong buồng cháy động cơ đốt trong:

CH4 + 0,67 CO2 + 2 O2 + 7,52 N2 → 2H2O + 1,67 CO2 + 7,52 N2

Cơ chế hình thành khí mê tan:

Quá trình tạo khí biogas là một quá trình lên men phức tạp của nhiều phản ứng hóa học Quá trình này là quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí dưới tác dụng của vi sinh vật yếm khí tạo ra: CH4, CO2, hơi nước… Sự phân hủy này được thực hiện theo hai quá trình, mỗi quá trình gồm hai giai đoạn

b Khí carbon dioxide (CO2): chiếm 30- 40% [6]

Carbon dioxide là chất khí không màu, không mùi, không vị, nặng hơn không khí, có khối lượng riêng 1,976 kg/m3 ở điều kiện 00C và 1 atm CO2 không phản ứng với O2, nên không tham gia vào quá trình cháy của động cơ Tuy nhiên hàm lượng CO2 cao làm giảm

lượng khí mê tan và giảm nhiệt trị của khí biogas, mặt khác lượng CO2 tăng thì tăng khả năng chống kích nổ của nhiên liệu khí biogas và giảm thành phần khí NO x trong khí xả khi đốt cháy biogas

Cơ chế hình thành CO2:

Carbon dioxide được sinh ra trong quá trình phân hủy chất hữu cơ để tạo khí mê tan như

đã trình bày ở trên

c Hơi nước: chiếm 0-5% [5]

Hơi nước được tạo thành cùng với quá trình phân hủy các chất hữu cơ để tạo thành khí CH 4 Với sự hiện diện của hơi nước và H2S trong biogas sẽ tạo ra dung dịch axit gây ăn mòn trong các đường ống dẫn biogas và trong các chi tiết của động cơ nhiệt

d H2S : chiếm 0-1% [5]

H2S là khí không màu, có mùi trứng thối, nặng hơn không khí với khối lượng riêng là 1.363 kg/m3, nhiệt độ đông đặc -82,30C, nhiệt độ hóa lỏng 60,280C, có thể hòa tan vào nước tạo thành dung dịch axit H2SO4với độ hòa tan thấp 0.25g H2S hòa tan hoàn toàn vào 100ml nước ở 400C H2S là khí độc ảnh hưởng đến sức khỏe con người, tùy theo nồng độ H2S trong không khí sẽ ảnh hưởng đến sức khỏe con người từ gây mùi khó chịu đến mức gây nguy hiểm

e Các thành phần khác: 0-1% [5]

Bao gồm các khí như : NO X, NH3, O2, siloxanes, các hạt bụi…

1.2.2 Công nghệ sản xuất khí biogas

1.2.2.1 Nguồn nguyên liệu ban đầu

Là phế liệu, phế thải trong sản xuất nông, lâm nghiệp, và các hoạt động sống, sản xuất và chế biến nông lâm sản

Ở Việt Nam phân gia súc là nguồn nguyên liệu chính của các hầm biogas

B ảng 1.4 Khả năng cho phân và thành phần hóa học của phân

Khả năng cho phân hàng ngày của 500kg v.nuôi

Thành phần hoá học ( % khối lượng phân tươi ) Vật nuôi

Thể tích

(m3)

Trọng lượng tươi (kg)

Chất tan

dễ tiêu

Nitơ Photpho Tỷ lệ

Carbon / Nitơ

38,5 41,7 28,4 6,78 31,3

7,98 9,33 7,02 10,2 16,8

0,38 0,70 0,83 0,31 1,20

0,10 0,20 0,47 1,20

20-25 20-25 20-25 7-15

Tỷ lệ carbon / nitơ : 20/30

Nguyên liệu phải được hoà tan trong nước

B ảng 1.5 Ảnh hưởng của từng loại phân đến sản lượng khí mêtan thu được và thời gian

lên men

Nguyên liệu Sản lượng khí m3

/kg phân khô

Hàm lượng CH4(%)

Thời gian lên men (ngày)

57

69

60

68

0,21 0,21 0,19 0,21 0,26 0,22

60,0 57,6 60,4 52,8 68,0 68,0

1,1 2,1 2,9 - - -

34,4 38,4 34,4 44,0 30,6 -

1.2.2.3 Quá trình lên men khí mêtan

hợp khí: CH4, CO2, H2S, hơi nước, và các thành phần khác, trong đó CH4 là thành

phần khí chiếm tỷ lệ lớn nhất Nên quá trình này còn gọi là quá trình lên men tạo khí

mêtan

+ Giai đoạn I : Từ những chất hữu cơ phức tạp (protein , a.amin, lipid) nhờ các vi khuẩn

(closdium bipiclobacterium, bacillus gram âm không sinh bào tử, staphy loccus) phân hủy

và biến thành chất hữu cơ đơn giản (albumoz peptit, glyxerin, axit béo)

Hình 1.10 Quá trình lên men khí mê tan

+ Giai đoạn II : hình thành acid (pha acid)

Nhờ vào vi khuẩn acetogenic bacteria (vi khuẩn tổng hợp acetat), các hydrates carbon

biến thành các acid có phân tử lượng thấp (C2H5OH , C3H7COOH, CH3COOH …) và pH

môi trường ở dưới 5 nên gây thối

Các vi khuẩn tham gia trong pha này :

A.formic, A.acetic,A.sucinic

Hình 1.11 Ảnh của vi khuẩn bacillus cereus

+ Giai đoạn III: hình thành khí mê tan

Sản phẩm của pha acid là nguyên liệu để phân huỷ ở giai đoạn này, tạo ra hỗn hợp khí:

CH4 , CO2 , H2S, N2, H2, và muối khoáng (pH của môi trường chuyển sang kiềm)

2

H , CO2, A.formic A.acetic

Acid (butyric,valeric, capropionic)

Acid (acetic, butyric)

1.2.2.4 Các kiểu hầm biogas thông dụng

a Hầm ủ nắp vòm cố định (Trung Quốc)

Hình 1.12 H ầm sinh khí kiểu vòm cố định Trung Quốc

Loại hầm này có phần chứa khí được xây dựng ngay trên phần ủ phân Do đó, thể tích của hầm ủ bằng tổng thể tích của 2 phần này Hầm ủ có dạng bán cầu được chôn hoàn toàn dưới đất để tiết kiệm diện tích và ổn định nhiệt độ Phần chứa khí được tô bằng nhiều lớp vữa để bảo đảm yêu cầu kín khí Ở phần trên có một nắp đậy được hàn kín bằng đất sét, phần nắp nầy giúp cho thao tác làm sạch hầm ủ khi các chất rắn lắng đầy hầm

Loại hầm ủ này rất phổ biến ở Trung Quốc, nhưng có nhược điểm là phần chứa khí rất khó xây dựng và bảo đảm độ kín khí do đó hiệu suất của hầm ủ thấp Gần đây các nhà khoa học của Đức và Thái Lan hợp tác trong việc phát triển hầm ủ Biogas ở Thái Lan đã dùng kỹ thuật CAD (Computer Aid Design) để tính toán lại kết cấu của hầm ủ này và cho

ra đời mẫu hầm TG - BP (Thai German - Biogas Program) Loại hầm ủ này đã được Trung Tâm Năng Lượng Mới, Đại Học Cần Thơ thử nghiệm và phát triển có hiệu quả ở miền Nam Việt Nam trong việc xử lý phân người và gia súc

b Hầm ủ nắp trôi nổi (Ấn Độ)

Loại hầm này rất phổ biến ở Ấn Độ, còn gọi là hầm ủ kiểu KVIC (được thiết kế bởi Khadi and Village Industries Commission) Gồm có một phần hầm hình trụ xây bằng gạch hoặc bêtông lưới thép và một chuông chứa khí trôi nổi trên mặt của hầm ủ Chuông chứa khí thường được làm bằng thép tấm, bêtông lưới thép, bêtông cốt tre, chất dẻo hoặc sợi thủy tinh Loại hầm ủ này bị ảnh hưởng nhiều bởi các nhân tố môi trường như nhiệt

độ Nắp hầm ủ dễ bị ăn mòn (trong trường hợp làm bằng sắt tấm), hoặc bị lão hóa (trong trường hợp làm bằng chất dẻo) Một nhược điểm khác là áp suất gas thấp do đó bất tiện trong việc thắp sáng, đun nấu để khắc phục nhược điểm này người ta thường treo thêm vật nặng vào nắp hầm ủ

c Hầm ủ CT1 ( Việt Nam)

Hình 1.14 H ầm ủ CT1

Ở Việt Nam ngoài việc áp dụng các mẫu hầm ủ nắp vòm cố định, nắp trôi nổi, Trung tâm năng lượng mới còn thiết kế mẫu hầm ủ CT1 Loại hầm ủ này là biến dạng của hầm ủ nắp cố định, hầm ủ có dạng hình trụ tròn, có chuông chứa khí làm bằng xi măng lưới thép, các cấu kiện của hầm ủ được đúc sẵn do đó thời gian thi công rút ngắn xuống

còn từ 2 - 3 ngày Loại hầm ủ này được phát triển trên 100 cái ở khu vực Cần Thơ và vài chục cái ở các tỉnh thuộc Đồng Bằng Sông Cửu Long, tuổi thọ của hầm ủ trên 10 năm Hiện nay loại hầm ủ này không còn được ưa chuộng nữa do các cấu kiện đúc sẵn cồng kềnh gây khó khăn tốn kém trong quá trình vận chuyển, nguyên liệu nạp phải được thu gom và nạp bằng tay cho hầm ủ

Ngoài ra các Trung Tâm Khuyến Nông còn đang phát triển loại túi ủ bằng nylon Loại nầy có ưu điểm là vốn đầu tư thấp phù hợp với mức thu nhập của bà con nông dân hiện nay Tuổi thọ của túi ủ tùy thuộc vào thời gian lão hóa của nguyên liệu làm túi Nhược điểm của loại túi ủ là rất dễ hư hỏng do sự phá hoại của chuột, gia súc, gia cầm

Hình 1.15 H ầm sinh khí kiểu túi rất thông dụng ở Việt Nam

d Hầm ủ có chuông chứa khí riêng biệt (Việt Nam)

Loại hầm ủ này có thể giống như bất kỳ một kiểu nào đã nêu ở trên chỉ khác là có chuông chứa khí nằm riêng, chuông chứa khí này có thể dùng chung cho một vài hầm ủ

Ưu điểm chính của loại hầm ủ này là khả năng cung cấp gas ổn định (ngay cả trường hợp

ủ theo mẻ) với một áp suất ổn định Tuy nhiên loại hầm ủ này không được phổ biến ở các nước đang phát triển

Tùy theo mục đích sử dụng mà khí biogas được loại trừ các tạp chất khác nhau Ở đây chúng ta chỉ xét mục đích là nhiên liệu cho xe gắn máy nên chỉ cần lọc 3 loại tạp chất:

S

H2 , CO2, hơi nước

Hình 1.17 Quy trình x ử lý khí biogas

1.2.3.1 Loại bỏ hơi nước

Loại bỏ hơi nước là công đoạn cần thiết để ngăn ngừa vấn đề ăn mòn đường ống Hiện nay có nhiều phương pháp đơn giản và rẻ tiền có thể loại bỏ một lượng lớn hơi nước Hơi nước sẽ được loại bỏ một cách hoàn toàn cùng với bụi

Có 2 phương pháp loại bỏ hơi nước:

Phương pháp ngưng tụ

Phương làm khô

1.2.3.2 Lọc H2S[6]

Dùng phoi sắt để tách H2S, 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

►Xử lý phoi sắt: 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

Khi khí biogas đi qua thiết bị lọc chứa oxyt sắt, H2S được tách ra theo các phản ứng sau:

Fe3O4 + 4H2S  FeS+Fe2S3 + 4H2O

FeO + H2S  FeS + H2O

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 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 bằng cách phơi phoi sắt ngoài không khí Phản ứng tái sinh diễn ra như sau:

Fe2S3 + O2  Fe2O3 + 3S

FeS + O2  FeO+ S

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 sinh, chúng ta có thể đốt phoi sắt đã sử dụng trong 15 phút Tuy nhiên quá trình này tạo ra chất khí ô nhiễm SO2:

Fe2S3 + 9/2O2  Fe2O3 + 3SO2

FeS + 3/2O2  FeO+ SO2

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 1.19 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

1.2.3.3 Lọc CO2[6]

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 1.20, 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

bị lưu trữ Thiết bị này thường có dạng hình túi Số lượng khí biogas được lưu trữ phụ thuộc vào sự dao động của quá trình sinh khí trong hầm ủ Thiết bị chứa biogas phải thích ứng được với sự dao động đó và không cho phép không khí xâm nhập vào bên trong, và khí biogas xì ra ngoài

Tùy theo mục đích sử dụng của khí biogas mà có nhiều hình thức lưu trữ khác nhau, và

có các thiết bị lưu trữ khác nhau Chẳng hạn như nếu là khí biogas với mục đích sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong thì phải là khí sạch (đã lọc bỏ tạp chất) thì có thể nén và chứa trong các bình kim loại Nhưng với mục đích sử dụng không cần khí biogas sạch (đun nấu trong gia đình) thì chỉ có thể lưu trữ trong các thiết bị mềm như túi ni-lông chẳng hạn

Hình 1.23 C ấu tạo túi chứa khí với lớp màng kép

Hình 1.24 Túi ch ứa khí biogas bằng ni lông rất thông dụng ở Việt nam

Đây là loại thiết bị lưu trữ khí biogas rất phổ biến ở các trang trại ở Việt Nam Là loại thiết bị đơn giản dễ chế tạo với giá thành rẻ không bị các tạp chất như H2S ăn mòn Tuy nhiên túi ni-lông có khả năng lưu trữ thấp, vì không thể chịu áp suất cao Và độ bền của túi ni-lông kém, dễ bị rò rỉ

Tài liệu tham khảo

[1]http://www.vietnamep.com/energy/index.php?/10-nc-co-tr-lng-du-ln-nht-th-gii.vietnamep

[2] Klaus von Mitzlaff, Engine for biogas, 1988

[3] James L Walsh, Charles C Ross,Michel S Smith, Stephen R Harper, W.Allen Wilkins

“Handbook on biogas utilization”

[4] www.engineeringtoolbox.com

[5] Nguy ễn Đình Hùng, Nguyễn Hữu Hường, Đoàn Thanh Anh Vũ, Vũ Việt Thắng Ứng

d ụng biogas chạy máy phát điện cỡ nhỏ tại nông thôn Việt Nam, Hội nghị cơ học toàn

qu ốc 2008

[6]Bùi V ăn Ga, Trương Lê Bích Trâm, Hệ thống cung cấp khí biogas cho động cơ kéo máy phát điện 2HP

Chương 2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ

SỬ DỤNG BIOGAS

2.1 THẾ GIỚI

2.1.1 Ứng dụng khí sinh học biogas ở Châu Âu

Cộng đồng châu Âu kêu gọi các nước trong khối thực hiện mục tiêu sử dụng 5,75% nhiên liệu sinh học (bao gồm biogas, ethanol, biodiesel) vào năm 2010 Thụy Điển là quốc gia đầu tiên ở châu Âu triển khai dự án thí điểm “thành phố biogas” Hiện, nước này có khoảng 4.000 phương tiện công cộng chạy bằng biogas Tại đây, cứ 10 trạm bơm nhiên liệu thông thường sẽ có một trạm biogas Chính phủ Thuỵ Điển đã đề ra các chính sách thuế để đảm bảo giá biogas rẻ hơn 30% so với xăng

Hình 2.1Tr ạm bơm biogas ở Thụy Điển

Hình 2.2 Xe bus ch ạy bằng biogas

Hình 2.3 Tàu t ốc hành chạy bằng biogas

2.1.2 Ứng dụng khí sinh học biogas ở Châu Á

Tại châu Á, Philippines có hơn 653 hệ thống biogas và 9 công ty chuyên xây dựng, cung cấp thiết bị biogas Từ biogas, Chính phủ Thái Lan đã sản xuất được 3.000MW điện, đến năm 2011 sẽ sản xuất 8% năng lượng điện quốc gia bằng năng lượng tái sinh Nepal,

Ấn Độ, Trung Quốc cũng là những quốc gia phát triển hệ thống biogas khá mạnh

Các nhà khoa học Trung Quốc đã tiến hành thử nghiệm một phương pháp mới trong xử lý rơm rạ từ lúa gạo Đây sẽ là điều kiện thuận lợi cho việc sản xuất biogas ở đất nước này

Lúa là một trong số những cây nông nghiệp cơ bản nuôi sống các vùng Nam và Trung Á Hàng năm, sau khi thu hoạch lúa về, trên các cánh đồng Trung Quốc còn tồn đọng 230 triệu tấn rơm rạ Rơm được sử dụng làm nguồn thức ăn cho gia súc, sưởi ấm nhà ở, sản xuất giấy Tuy nhiên, phần lớn trong số rơm rạ lại bị tiêu hủy, gây ô nhiễm nghiêm trọng đến môi trường sinh thái

Những phần còn lại của loài thực vật này là nguồn sản sinh ra nhiên liệu có triển vọng, nhất là khí sinh học Biogas

Trước khi rơm rạ từ cây lúa chưa được sử dụng vào nguồn lợi sản xuất ra nguồn nhiên liệu sinh học, các nhà khoa học cho rằng trong rơm có khối lượng lớn polisacrarit và gỗ là những nguồn nguyên liệu khó phân hủy đối với vi khuẩn

Các chuyên gia nghiên cứu thuộc trường đại học Công nghệ Hóa học Bắc Kinh đang thử nghiệm phương pháp xử lý rơm bằng natri hidrocid, một loại dung dịch phổ biến giống như môt loại kiềm ăn da Tác động của natri hidrocid sẽ phá hủy một số mắt xích tổ hợp sinh học khó phá vỡ, cho phép hợp chất trên dễ dàng bị tiêu hủy bởi vi khuẩn Toàn bộ quá trình sản xuất gas sinh học sau xử lý natri hidrocid tăng từ 27-64,5%

Trung Quốc vừa xây dựng 3 trạm xử lý rơm thí nghiệm Hiện các nhà khoa học đang tiến hành ứng dụng công nghệ ban đầu trong xử lý rơm và biogas sau này

Tại Châu Âu, Châu Úc và Châu Á quá trình phân hủy kị khí được lựa chọn để xử lý chất thải có thành phần hữu cơ từ rác thải công nghiệp chẳng hạn như nhà máy sản xuất bia, bột giấy hay thực phẩm Các mô hình được xây dựng có thời gian lưu thấp, thể tích bể ủ nhỏ hơn và tỷ lệ chịu tải cao

2.1.3 Các nghiên cứu liên quan:

Với đề tài “biogas và ứng dụng của nó” có rất nhiều công trình nghiên cứu khoa học

đã và đang thực hiện trên thế giới Năm 1997 Gitonga và Stephen trường trung cấp kỹ thuật Kenya, Kenya đã nghiên cứu về khả năng ứng dụng của khí biogas ở Kenya Năm

1999 Ong Hua Long, Đại Học Kỹ Thuật Malaysia, nghiên cứu về hiệu quả bôi trơn của

xe gắn máy dùng gas thiên nhiên 3-2001 Michael Brow, Roseville, California USA

nghiên cứu về nguồn gốc và ứng dụng của khí biogas ở Bun-Ga-Ri [3] 9-2001 Henham