Nghiên cứu về khí sinh học biogas và khả năng ứng dụng cho động cơ đốt trong

Khi nguồn nhiên liệu hóa thạchtrong lòng đất đã được sử dụng hết, thì đồng nghĩa với khối lượng carbon chôn vùitrong lòng đất từ khi nó hình thành đến nay, được giải phóng ra bầu khí quy

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, chúng em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ,đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè

Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến TS Nguyễn Văn Trạng , giảng

viên Bộ môn động cơ khoa cơ khí động lực - trường ĐHSPKT Tp Hồ Chí Minh,người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo chúng em trong suốt quá trình làm đồ án

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường ĐHSPKT Tp HồChí Minh đã giảng dạy và truyền đạt, cho chúng em kiến thức đại cương cũng như cáckiến thức chuyên ngành, giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiệngiúp đỡ em trong suốt quá trình học tập

Cuối cùng, chúng em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điềukiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đồ ántốt nghiệp

Trân trọng!

Tp Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 11 năm 2017

Nhóm Sinh Viên Thực Hiện

Nguyễn Văn Hoàng

Phan Văn Trung

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 8

1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 8

1.1.1 Đặt vấn đề 8

1.1.2 Mục tiêu của đề tài 9

1.1.3 Giới hạn đề tài 9

1.1.4 Phương pháp nghiên cứu 9

1.2 TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU KHÍ SINH HỌC BIOGAS 9

1.2.1 Giới thiệu khí sinh học biogas 9

1.2.2 Lịch sử phát triển khí sinh học Biogas 11

1.2.3 Ứng dụng khí sinh học biogas 17

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU VỀ KHÍ SINH HỌC BIOGAS 20

2.1 Quá trình hình thành khí sinh học biogas 20

2.1.4 Các tập chất lẫn trọng khí biogas và phương pháp loại bỏ tạp chất 25

2.1.2 Lưu trữ và vận chuyển khí biogas sạch 30

2.2 Các thông số cơ bản 31

2.2.1 Tốc độ cháy trong điều kiện tự nhiên 31

2.2.2 Giới hạn bắt lửa trong điều kiện tự nhiên 32

2.2.3 Nhiệt độ ngọn lửa khi cháy trong điều kiện tự nhiên 32

2.2.4 Nhiệt trị 33

2.3 Một số đặc tính cháy của biogas trong động cơ đốt trong 34

2.4.1 Chỉ số Woobe 37

2.4.2 Chỉ số octane (MON) 37

2.4.3 Tỉ lệ không khí/nhiên liệu (AFR) 37

2.5 Quá trình cháy của động cơ nhiên liệu kép biogas 40

2.5.1 Ảnh hưởng thành phần nhiên liệu trong biogas đến đường cong cháy 43

2.5.2 Ảnh hưởng nhiệt độ hổn hợp đến đường cong cháy 43

2.5.3 Ảnh hưởng yếu tố vận hành đến quá trình cháy 44

2.5.3.1 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm 44

2.5.3.2 Ảnh hưởng tỉ số nén 46

2.5.4 Ảnh hưởng áp suất nhiên liệu đến quá trình cháy 47

2.5.5 Kết luận 47

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG KHÍ BIOGAS VÀO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 49

3.1 Chuyển đổi động cơ dùng hoàn toàn nhiên liệu biogas 49

3.1.1 Đối với động cơ xăng 49

3.1.2 Đối với động cơ Diesel 49

3.1.3 Cung cấp nhiên liệu cho động cơ 50

3.2 Động cơ nhiên liệu kép Diesel-biogas 54

3.3 Ứng dụng thực tế 54

3.3.1 Máy phát điện chuyển đổi động cơ xăng sang dùng biogas 55

3.3.2 Máy phát điện chuyển đổi động cơ diesel sang dùng Biogas 57

3.3.3 Xe gắn máy Wave 110C dùng nhiên liệu Biogas 58

CHƯƠNG 4: XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG SỬ DỤNG BIOGAS 60

4.1 Tính toán hiệu quả kinh tế khi sử dụng biogas cho động cơ đốt trong 60

4.1.1 Đối với động cơ biogas/xăng 60

4.1.2 Đối với động cơ Biogas/Diesel 60

4.2 Hiệu quả về kinh tế và môi trường 61

4.3 Sự phát triển biogas vào tương lai 62

4.4 Khó khăn hiện tại 62

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 63

5.1 Kết quả đạt được……….……….63

5.2 Hướng phát triển của đề tài ……….63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Sản xuất biogas tại Anh năm 1896 12

Hình 1.2 Sự gia tăng công suất phát điện dùng khí sinh học ở Đức 13

Hình 1.3 Bộ máy phát điện sử dụng khí sinh học biogas để tạo ra điện 14

Hình 1.4 Tận dụng nguồn chất thải chăn nuôi ở Việt Nam 15

Hình 1.5 Tận dụng chất thải gia xúc làm khí biogas 16

Hình 1.6 Sơ đồ lắp đặt hệ thống biogas nấu bếp 17

Hình 1.7 Dùng biogas để nấu bếp 17

Hình 1.8 Tàu hỏa chạy bằng biogas tại Thụy Điển 19

Hình 1.9 Xe bus sử dụng nhiên liệu biogas ở Thụy Sĩ 19

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống sản xuất biogas 21

Hình 2.2 Sơ đồ quá trình lên men tạo khí sinh học 21

Hình 2.3 Mô hình hầm biogas được xây bằng gạch 23

Hình 2.4 Mô hình hầm biogas bằng túi nilon 23

Hình 2.5 Mô hình hầm biogas composite 25

Hình 2.6 Lõi lọc H2S bằng phoi tiện 27

Hình 2.7 Sơ đồ cột hấp thụ CO2 bằng nước 27

Hình 2.8 Hệ thống xử lý H2S và CO2 thí nghiệm 28

Hình 2.9 Vận chuyển khí biogas nén 30

Hình 2.10 Ảnh hưởng của tỷ lệ CO2 đến tốc độ cháy 31

Hình 2.11 Giới hạn bắt lửa biogas trong điều kiện tự nhiên 32

Hình 2.12 Ảnh hưởng của tỷ lệ methane đến nhiệt độ ngọn lửa Biogas 33

Hình 2.13 Nhiệt trị của biogas theo khối lượng riêng và phần trăm thể tích CH 4 34 Hình 2.14 Biến thiên nồng độ khí thải CO và HC động cơ Diesel dùng nhiên liệu biogas 36

Hình 2.15 Đồ thị biểu diễn tỉ lệ A/Fkl theo thành phần CO2 39

Hình 2.16 Đồ thị biểu diễn tỉ lệ A/Fkl theo thành phần CH4 39

Hình 2.17 Quan hệ giữa công suất động cơ và thành phần hỗn hợp 40

Hình 2.18 Biến thiên tốc độ tiêu thụ CH4 trong buồng cháy theo nồng độ biogas trong khí nạp 41

Hình 2.19 Ảnh hưởng thành phần nhiên liệu trong biogas đến đường cong cháy 42

Hình 2.20 Ảnh hưởng thành phần methane trong biogas đến tính năng động cơ 43

Hình 2.21 Ảnh hưởng nhiệt độ trước khi đánh lửa đến dạng đường cong cháy hỗn hợp biogas/không khí 44

Hình 2.22 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến đồ thị áp suất chỉ thị (n=3000v/ph) 45

Hình 2.23Biến thiên áp suất chỉ thị theo góc quay trục khuỷu và buồng cháy ứng với các chế độ tốc độ khác nhau của động cơ (φs=30) 46

Hình 2.24 Quan hệ tỉ số nén với công suất động cơ 47

Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu biogas 50

Hình 3.2 Loại các lỗ khoan bố trí xung quanh họng 51

Hình 3.3 Họng Venturi với một đường biogas vào loại cùng chiều 52

Hình 3.4 Họng Venturi với một đường biogas vào loại trực giao 52

Hình 3.5 Mặt cắt thể hiện van hòa trộn khí 53

Hình 3.6 Máy phát điện sử dụng khí Biogas 55

Hình 3.7 Mô hình lắp đặt hệ thống cung cấp biogas lên động cơ 57

Hình 3.8 Chạy thử nghiệm biogas trên động cơ xe gắn máy 110cc 58

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1Một số tính chất của biogas 10

Bảng 2.1Sản lượng sinh khí Biogas từ các chất hữu cơ 20

Bảng 2.2 Thành phần khí biogas sau khi qua lọc 29

Bảng 2.3 Tiêu chuẩn khí Biogas ở các nước phát triển 29

Bảng 3.1 Kết quả đo công suất và ô nhiễm động cơ phát ra khi sử dụng xăng 56

Bảng 3.2 Kết quả đo công suất và ô nhiễm động cơ phát ra khi sử dụng biogas 56

Bảng 3.3 Kết quả khí xả động cơ xe gắn máy chạy bằng biogas 58

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1.1 Đặt vấn đề

Ngày nay, nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt, khí thải từ động cơ đốttrong làm ô nhiễm môi trường làm mất cân bằng sinh thái vốn có trong tự nhiên, gâyảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người Khi nguồn nhiên liệu hóa thạchtrong lòng đất đã được sử dụng hết, thì đồng nghĩa với khối lượng carbon chôn vùitrong lòng đất từ khi nó hình thành đến nay, được giải phóng ra bầu khí quyển gâynên hiệu ứng nhà kính là điều không tránh khỏi…Từ những vấn đề còn bất cập ấyviệc sử dụng nguồn nhiên liệu mới “sạch” được các nước tiên tiến trên thế giới đặcbiệt quan tâm khuyến khích phát triển Một trong số các nguồn nhiên liệu “sạch”được nhắm đến đó là khí sinh học biogas

Trên thế giới, nguồn nhiên liệu từ khí biogas đã được tiến hành nghiên cứu và ứngdụng vào thực tiễn từ rất lâu, dùng thắp sáng đường phố, dùng sản xuất điện quy môlớn, sử dụng các máy công nghiệp cỡ lớn ví dụ như :hầm ủ khí biogas nắp trôi nổiKVIC( Ấn Độ),hầm ủ biogas nắp cố định( Trung Quốc) hoặc hệ thống Darmstadt dotrường đại học kỹ thuật Darmstadt ở Đức phát triển,… Tuy nhiên một sự giống nhau

ở tất cả các quốc gia là các động cơ dùng nhiên liệu khí sinh học biogas lại có giáthành đắt hơn rất nhiều so với động cơ sử dụng nguồn nhiên liệu truyền thống

Ở nước ta , từ năm 1991 đến nay công nghệ biogas phát triển khá mạnh mẽ nhờcác chương trình hỗ trợ từ chính phủ và sự quan tâm của các tổ chức quốc tế ví dụnhư : năm 2002 Bộ Nông Nghiệp va Phát triển nông thôn ban hành các tiêu chuẩnđầu tiên thiết kế và xây dựng hầm ủ biogas , năm 2003 Việt Nam hợp tác với Hà Lanthực hiện dự án “Chương trình khí sinh học cho ngành chăn nuôi Việt Nam”,… Cụm

từ “ khí biogas” đối với những người dân vùng nông thôn không có gì là quá xa lạ

yếu Áp dụng cho các hộ gia đình nhỏ lẻ, với quy mô ứng dụng lớn hơn là dùng sảnxuất điện, thắp sáng đường phố, vận hành các máy công nông như các nước tiên tiếntrên thế giới vẫn còn nhiều hạn chế.

Hiện nay có rất nhiều đề tài nghiên cứu về lĩnh vực biogas như: “ Chuyển đổi động cơ Diesel bốn xylanh sang dùng hoàn toàn biogas điều khiển điện tử”

Th.S Nguyễn Quang Minh, “Thiết kế lắp đặt hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas điều khiển bằng điện tử cho máy phát điện” TS Lê Thanh Phúc, “ Thử nghiêm khí biogas trên động cơ xe gắn máy” TSKH Bùi Văn Ga….

Với các lý do đó, đề tài “Nghiên cứu về khí sinh học biogas và khả năng ứng dụng cho động cơ đốt trong” được thực hiện.

1.1.2 Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về khí biogas và tìm hiểu ảnh hưởng của nhiên liệu sinhhọc biogas khi sử dụng trên động cơ đốt trong

1.1.3 Giới hạn đề tài

Nắm vững các kiến thức cơ bản về động cơ đốt trong

Chỉ dừng lại ở mức nghiên cứu trên cơ sở lý thuyết, chưa tự tiến hành chế tạo cải tiếnđộng cơ đốt trong dùng nhiên liệu biogas để nghiên cứu thực nghiệm

1.1.4 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng cơ sở lý thuyết từ các nguồn tài liệu tham khảo

Dùng các kết quả thực nghiệm đã được kiểm chứng ở các trường Đại học nổi tiếng, taphân tích rút ra các nhận xét nhiên liệu biogas và sự ảnh hưởng nhiên liệu biogas đếnđộng cơ đốt trong

1.2 TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU KHÍ SINH HỌC BIOGAS

1.2.1 Giới thiệu khí sinh học biogas

Biogas là từ ghép của bio-fuel và gas nghĩa là khí sinh học Khí sinh học biogas là tổhợp metan (CH4), cacbonic (CO2) và các sản phẩm khác được sản xuất ra từ quá trìnhphân huỷ xác động vật và các chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí

Các loại chất thải có thể làm nguồn cung cấp cho quá trình sản xuất khí sinh họcbiogas:

 Chất thải của con người

 Chất thải của động vật như: lợn, trâu, bò, gia cầm.…

 Rác thải sinh hoạt, nông nghiệp, công nghiệp

Nguồn chất thải từ con người và động vật là nguồn sinh khí biogas vô tận, nếu chúng

ta biết tận dụng chúng để làm nguồn nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu truyền thống để sửdụng cho động cơ đốt trong thì đây là một phương pháp hữu ích Việc sử dụng nhiên liệubiogas đem lại rất nhiều lợi ích thiết thực:

 Tận dụng nguồn chất thải có quanh chung ta

 Biogas là nguồn nhiên liệu sạch thay thế nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạnkiệt

 Biogas góp phần làm cho môi trường xanh sạch hơn, bảo vệ môi trường và sứckhỏe con người

Tính chất vật lý:

Tính chất vật lý của biogas có ảnh hưởng lớn đến việc lựa chọn công nghệ sử dụngcho việc xử lý và đốt cháy biogas

Thành phần chính của biogas là CH4 và CO2 Các tính chất vật lý liên quan đến chúng

và sẽ được liệt kê sau đây bảng 1.1.

Bảng 1.1 Một số tính chất của biogas

Các tính chất vật lý Methane (CH 4 ) Carbon Dioxide (CO 2 )

(Nguồn: www.naipet.com)

1.2.2 Lịch sử phát triển khí sinh học Biogas.

Vào năm 1630 Van Helmont đã viết một tài liệu về một loại khí dễ cháy được sinh ra

từ các chất hữu cơ mục nát Năm 1667 nhà khoa học Shirley đã mô tả chất khí này chínhxác hơn Năm 1870 một người nổi tiếng trong lịch sử hóa học là Joseph Priestly, báo cáomột chất khí sinh ra bởi sự phân hủy của các chất khi chìm trong nước

Năm 1804 John Dalton xác định các thuộc tính hóa học của khí methane Khí methanesinh ra từ phân chuồng đã thu hút sự chú ý của các nhà khoa học và các nhà vật lý Hầunhư trong khoảng thời gian này các nhà khoa học, các nhà vật lý học, họ đã nâng cao tối

đa kiến thức về khí sinh học Biogas Một học trò của nhà khoa học nổi tiếng LouisPasteur là Gayon đã có thể sản xuất đủ khí methane dùng cho việc sưởi ấm và chiếu sángcho gia đình, từ đó biogas được ứng dụng vào đời sống Năm 1896, khí đốt sinh ra từ cáctrạm sử lỷ nước thải cũng được sử dụng cho để chiếu sáng đường phố ở Exeter ở Anh

Hình 1.1 Sản xuất biogas tại Anh năm 1896

Sau chiến tranh thế giới thứ nhất, năm 1918 người Mỹ đã quan tâm sản xuất khímethane từ các chất thải nông nghiệp Những năm 40 của thế kỉ 20, nhiều nhà máy xử lý

nước thải và các trang trại đã sử dụng phương pháp lên men kị khí để sản xuất methanechạy các máy phát điện Tại Đức vào năm 1951 đã có hơn 48 nhà máy xử lý nước thảicung cấp hơn 16 triệu mét khối khí methane, 3,4% trong số đó dùng cho sản xuất điện và16,7% dùng cho đun nấu, 28,5% dùng cho hệ thống cung cấp khí đốt thành phố và 51,4%còn lại được sử dụng làm nhiên liệu cho ô tô.

Ở giai đoạn cuối chiến tranh thế giới thứ 2, ở Đức rơi vào tình trạng thiếu các nguồnnhiên liệu hóa thạch, họ đã chuyển sang dùng nguồn nhiên liệu methane để thay thế vàchúng đã được phát triển mạnh mẽ Do không thể hóa lỏng nguồn nhiên liệu trong điềukiện thực tế nên họ đã nghĩ đến phương pháp nén chúng với áp suất nén là 300 psi vàocác bình chứa nhiên liệu

Với các kinh nghiệm có được qua mỗi giai đoạn lịch sử, đến sau chiến tranh thế giớithứ 2, việc sản xuất khí sinh học biogas đã được nghiên cứu và phát triển ứng dụng chonhiều quốc gia khắp các châu lục: Nam Phi, Nga, Autralia, Ấn Độ, Hàn Quốc, NhậtBản… Ở châu Á, Ấn Độ được xem như nước tiên phong trong việc ứng dụng khí sinhhọc biogas vào nấu ăn, thắp sáng và chạy các loại động cơ đốt trong

1.2.2.1 Tình hình sản xuất khí sinh học biogas trên thế giới

(Nguồn: tổng hợp) Hình 1.2 Sự gia tăng công suất phát điện dùng khí sinh học ở Đức

Nguồn nhiên liệu hóa thạch đã và đang dần cạn kiệt theo năm tháng, đã thúc đẩy cácnước bắt tay vào công cuộc tìm kiếm nghiên cứu và phát triển một nguồn nhiên liệu mới

có tính bền vững hơn Liên minh châu Âu đã kêu gọi các thành viên, thực hiện mục tiêu

sử dụng 5,75% nguồn nhiên liệu sinh học vào năm 2010 Thị trường thế giới về biogastăng lên nhanh chóng và các nước đã chạy đua phát triển biogas hiện đại, để cạnh tranhtrên thị trường năng lượng và tiếp nhận các khoản hỗ trợ môi trường từ các tổ chức thếgiới Các nước Đức, Áo, Đan Mạch là những nước tiên phong trong kỹ thuật biogas ỞTrung Quốc có 18 triệu hầm biogas ước tính sản lượng lên đến 145 tỉ mét khối Ở Ấn Độ,

có 5 triệu nhà máy biogas với quy mô nhỏ đang hoạt động Việt Nam và Nepal, có sốlượng đáng kể hầm biogas với quy mô nhỏ theo hình thức gia đình là chủ yếu

Ở châu Á các hầm biogas với kích thước nhỏ và xây dựng một cách thủ công đơn giản

Cụ thể ở Philippines có hơn 653 hệ thống biogas từ chất thải gia xúc trong những nămgần đây Tại Thái Lan biogas từ chất thải nông nghiệp dùng cho công nghiệp điện với sảnlượng lên đến 3000 MW

Hình 1.3 Bộ máy phát điện sử dụng khí sinh học biogas để tạo ra điện

Châu Âu và châu Mỹ họ phát triển biogas với quy mô lớn và hiện đại với sự tài trợ từ chính phủ Theo Hiệp hội sinh khối châu Âu (AEBIOM) năng lượng dựa trên sinh khối

có thể tăng từ 72 triệu tấn năm 2004 lên đến 220 triệu tấn vào năm 2020 Biogas là nguồnnhiên liệu sinh học có thế sản xuất điện năng bằng động cơ gas ở châu Âu Ở Thụy Điển

có hơn 4000 ô tô chạy bằng động cơ biogas, và tàu hỏa vv…

Động cơ biogas là động cơ đốt trong đánh lửa cưỡng bức hoặc có thể là động cơ nhiênliệu kép Động cơ nhiên liệu kép phun khoảng 10% nhiên liệu Diesel mồi được ứng dụngrộng rãi với các mức công xuất nhỏ tuy nhiên lượng khí thải phát ra lại cao

Động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức sử dụng hệ thống đánh lửa truyền thống và bộ tạohỗn hợp biogas-không khí, động cơ có thể làm việc với hỗn hợp vừa đủ hay nghèo Đốivới các loại động cơ cỡ lớn thường sử dụng hỗn hợp nghèo để năng cao hiệu quả

Các động cơ được thiết kế để sử dụng nhiên liệu biogas thường có giá thành cao hơn

so với động cơ sử dụng nhiên liệu hóa thạch Nguồn nhiên liệu biogas sử dụng phải đảmbảo đủ các điều kiện tiêu chuẩn do các tổ chức thế giới đặt ra như về áp suất cung cấp,thành phần nhiên liệu, chất lượng khí vv…

1.2.2.2 Tình hình sản xuất và sử dụng khí sinh học biogas tại Việt Nam

Môi trườngxung quang

Biogas Nuôi cá

Bán

Những năm 1991 trở lại đây nhiều nhà khoa học trong nước đã nghiên cứu, triển khainhiều công trình xử lý chất thải bằng hệ thống khí sinh học biogas (mô hình hình cầu củaViện năng lượng với thể tích 5m3, 7m3, 8m3, 10m3, 15m3) đã tạo ra một nguồn phân bónđáng kể, khả năng giải quyết nguồn năng lượng sạch tại chỗ và giảm thiểu ô nhiễm môitrường Ở miền Trung, Tây Nguyên, hàng loạt các mô hình bể biogas cũng được áp dụngcho các hộ chăn nuôi gia súc, các nông trường chăn nuôi trên địa bàn như mô hình củaTrung tâm Năng lượng mới (Sở khoa học công nghệ thành phố Đà Nẵng, mô hình bểbiogas phá váng tự động của Phân Viện bảo hộ lao động và Bảo vệ Môi trường miềnTrung, Tây nguyên Nhiều tổ chức quốc tế đang quan tâm phát triển công nghệ ở ViệtNam: họ tổ chức nhiều hội thảo, tài trợ nhiều dự án phát triển năng lượng sinh khối ởnước ta Các dự án năng lượng sinh khối có cơ hội tận dụng cơ chế phát triển sạch(CDM) để thu hút vốn đầu tư Nhiều công nghệ đã được hoàn thiện, ứng dụng thươngmại nên Việt Nam có thể nhập và ứng dụng, tránh được rủi ro về công nghệ.

Đối với các cơ sở chăn nuôi lớn, hệ thống biogas được xây dựng với quy mô lớn, trình

độ kỹ thuật cao, điều kiện giám sát chặt chẽ Các hệ thống này đem lại tác dụng rất lớntrong việc xử lý phân và nước thải khổng lồ thải ra mỗi ngày, loại bỏ được nguy cơ gây ônhiễm môi trường, lây lan dịch bệnh cho cộng đồng và sản xuất gas cho các hệ thốngphát điện nội bộ Đối với qui mô chăn nuôi hộ gia đình, mô hình xử lý biogas bằngplastic đang phát triển rộng rãi do đặc điểm giá rẻ, dễ lắp đặt và phù hợp với mô hìnhnông trại kết hợp Các mô hình nhỏ này giúp các hộ nông dân xử lý được phân và chấtthải gia súc, tránh ô nhiễm môi trường, nhất là các khu vực có các hộ chăn nuôi tập trungcao ở miền Bắc, cung cấp gas làm giảm chi phí hoạt động cho gia đình và nước thải rasau khi xử lý đem bón cho cây trồng rất tốt

Hình 1.5 Tận dụng chất thải gia xúc làm khí biogas

Đa số biogas được dùng cho việc nấu ăn và thắp sáng là chủ yếu tại Việt Nam, chúngthực sự chưa được ứng dụng nhiều vào công nghiệp là do các máy chuyên dùng biogasđược sản xuất từ nước ngoài có giá thành rất đắt Những động cơ biogas nhỏ cấu tạo đơngiản có công suất nhỏ khả năng làm việc không đáng tin cậy và chưa tận dụng hết nguồnnhiên liệu biogas dồi dào của nước ta, từ những hạn chế đó nguồn nhiên liệu biogas chưađược ứng dụng và phát triển rộng rãi với quy mô lớn ở nước ta

Để thỏa mãn nhu cầu đa dạng về việc ứng dụng nguồn nhiên liệu biogas vào động cơđốt trong, giải pháp cho việc chuyển đổi động cơ truyền thống sang dùng biogas phải đápứng và thỏa mãn một số điều kiện như: mang tính vạn năng cao, kết cấu động cơ truyềnthống không bị thay đổi quá nhiều, độ tin cậy cao, dễ lắp đặt, vận hành tốt, giá thành thấpvv

GS.TSKH Bùi Văn Ga và các cộng sự ở Đại học Đà Nẵng đã nghiên cứu chuyển đổiđộng cơ sử dụng nhiên liệu xăng, dầu sang sử dụng biogas Động cơ chạy bằng xăng dầutruyền thống có thể được chuyển đổi sang chạy bằng biogas nhờ các bộ phụ kiện chuyểnđổi nhiên liệu đã mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật và bảo vệ môi trường

1.2.3 Ứng dụng khí sinh học biogas

1.2.3.1 Dùng trong nấu ăn

Một số hộ gia đình ở nông thôn hiện nay đã xây hầm biogas tận dụng phân của các vậtnuôi sản xuất biogas phục vụ đun nấu Mỗi hộ gia đình nuôi từ 4 con lợn trở lên đủ điềukiện để tạo ra loại khí đốt này, chỉ cần tốn 3 - 4 triệu để xây hầm và có thể sử dụng 15năm Sử dụng loại khí đốt này tiết kiệm được tiền điện hàng tháng, nâng cao hiệu quảkinh tế, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống

Phân tươi từ chuồng trại được đưa vào bể lắng cát để lắng đá, cát rồi qua ống dẫnphân vào bể phân huỷ Ở bể phân huỷ xảy ra quá trình lên men tạo khí sinh học, khí sinhhọc này được đưa đến bếp gas đun nấu

Hình 1.6 Sơ đồ lắp đặt hệ thống biogas nấu bếp

Hình 1.7 Dùng biogas để nấu bếp

Việc chuyển đổi lò đốt gas truyền thống sang dùng biogas rất đơn giản chỉ cần thay đổi

lỗ vòi phun và hệ thống cung cấp nhiên liệu Chúng ta phải quan tâm đến đến một vài yếu

tố như: tốc độ cắp nhiệt để công suất lò đốt hiệu quả, khả năng chịu đựng của hệ thốngkhí, duy trì sự ổn định ngọn lửa, môi trường đốt vv

1.2.3.2 Pin nhiên liệu

Những pin nhiên liệu thế hệ mới không dùng hydrogen mà thay vào đó chúng sửdụng ethanol, biogas Đây là giải pháp biến đổi năng lượng hiệu quả nhất và thân thiệnvới môi trường nhất, hiệu suất lên đến 60% và phát thải mức thắp nhất Lưu ý là biogasdùng cho pin nhiên liệu phải được lọc kỹ H2S và các tạp chất khác Trong tương lai pinnhiên liệu SOFC được xem như là nguồn cung cấp điện sạch

1.2.3.3 Biogas làm nhiên liệu cho ô tô

Khi dùng biogas làm nhiên liệu cho ô tô ta phải lưu ý một số yếu tố quan trọng sau:

 Mức độ sử dụng : Phải xác định lượng nhiên liệu biogas dùng, vì biogas sinh rachỉ được sử dụng một hoặc hai ngày, để dựa vào đó ta tính toán đầu tư vào hệthống nén , lưu trữ và nạp nhiên liệu

 Chất lượng biogas : Chất lượng biogas ảnh hưởng đến khả năng lưu trữ biogastrên ô tô Chúng ta phải tập trung loại bỏ các tập chất như: H2S, CO2, hơi nước,

vì chúng sẽ ảnh hưởng đến hệ thống nén, hệ thống lưu trữ, hệ thống cung cấp

Ở một số nước tiên tiến biogas được sử dụng rộng rãi trên ôtô và tàu cao tốc

Hình 1.8 Tàu hỏa chạy bằng biogas tại Thụy Điển

Hình 1.9 Xe bus sử dụng nhiên liệu biogas ở Thụy Sĩ

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU VỀ KHÍ SINH HỌC BIOGAS

2.1 Quá trình hình thành khí sinh học biogas.

2.1.1 Khả năng sinh khí biogas từ các chất hữu cơ.

Thành phần CH4 trong biogas với nguyên liệu phân bò tương đối ổn định trong toàn bộquá trình Thành phần CH4 cao nhất là 57%

Hiệu quả sinh khí phân heo tuy không cao nhưng luôn được duy trì ổn định trong suốtquá trình Về mặt chất lượng khí ta thấy thành phần CH4 chiếm toàn bộ quá trình Thànhphần CH4 cao nhất là 68%.

Thành phần CH4 cao nhất là 76,6% Khi nhiệt độ ổn định thành phần CH4 giảm xuốngmức 60% trong giai đoạn cuối quá trình

Phân gà, bèo tây, rơm rạ, cây củi khô, vv…

Bảng 2.1 Sản lượng sinh khí biogas từ các chất hữu cơ

Nguyên liệu Sản lượng khí

(m3 /kg phân khô ) Hàm lượng

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống sản xuất biogas 1- Bể lắng cát 4- Bể đựng chất thải.

2-Ống dẫn phân 5- Hệ thống lọc H2S và CO2.

3-Ống dẫn bã thải 6- Bình chứa khí Biogas sạch.

Nguyên lý làm việc của hệ thống:

Phân tươi từ chuồng trại được đưa vào bể lắng cát (1) để lắng đá, cát rồi qua ống dẫnphân (2) vào bể phân huỷ Ở bể phân huỷ xẩy ra quá trình lên men tạo khí sinh học nhưsau:

Hình 2.2 Sơ đồ quá trình lên men tạo khí sinh học

 Giai đoạn I :

Những chất hữu cơ phức tạp (chất béo, hydrat cacbon, protein) được vi khuẩn phânhủy thành những chất hữu cơ đơn giản (các chất tan)

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

Nhờ vi khuẩn tổng hợp acetat các hydratescarbon → acid phân tử lượng thấp (C2H5COOH, C3H7 COOH, CH3 COOH…) Các vi khuẩn tham gia trong pha này là:Bacillusereus, Clostridiumcarnefectium, Pseudomonas

 Giai đoạn III : hình thành khí mêtan

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

Khi xây hầm biogas phải xây thật kín đáo tránh việc rò rỉ ra ngoài, nguyên lý hoạtđộng của hầm biogas rất đơn giản chỉ gồm 1 đường dẫn phân tươi từ trại chăn nuôi vàohầm, ở đó phân tươi bị phân hủy tạo khí mêtan (CH4) Khí mêtan bay lên theo ống dẫnđến các thiết bị tiêu thụ

Phân đã được phân hủy đến định mức sẽ theo đường dẫn tràn ra ngoài và hoạt độngnày được lặp đi lặp lại tuần hoàn

Hình 2.3 Mô hình hầm biogas được xây bằng gạch

Hình 2.4 Mô hình hầm biogas bằng túi nilon

Ở nhiệt độ trung bình vào khoảng 22 - 26 oC, về mùa đông nhiệt độ thấp

hơn, do đó lượng gas phát sinh thấp hơn nên đối với từng vùng khí hậu mà hầm ủ cho talượng thể tích khí biogas khác nhau

Lượng biogas phát sinh nhiều hay ít còn phụ thuộc vào bể chứa sinh khí có vận hành

và sử dụng đúng phương pháp hay không, loại chất thải và tỉ lệ nước – phân Lượngphân lấy được từ con người và gia súc gia cầm phụ thuộc vào nguồn thức ăn, sức khoẻcủa sinh vật và đây cũng là yếu tố ảnh hưởng lớn đến lượng gas phát sinh mà ta thu được

 Giới thiệu về hầm biogas làm bằng vật liệu composite.

- Hầm biogas xây bằng chất liệu nhựa composite có độ bền cao và kín tuyệt đối, vì thế cóthể kiểm tra độ kín ngay sau khi lắp đặt Không gãy nứt, không bị rò khí trong điều kiệnmóng yếu, không bị axit, bazơ ăn mòn…

- Hiệu suất không khí của hầm biogas composite cao và chịu được áp suất lớn và kíntuyệt đối, có khả năng tự động chuyển hoá lên men kỵ khí 100%

- Lắp đặt hầm biogas composite không tốn nhiều thời gian và công nhân lắp đặt

- Hầm biogas composite có áp lực khí gas cao đến 1,6m cột nước và khả năng tự điều ápkhí gas, gas quá nhiều hầm tự động xả khí thông qua hai cột điều áp không cần van antoàn

- Hầm biogas composite khi sử dụng không phải lấy phân bã ra khỏi bể mà phân đã phânhuỷ hết còn bã tự động đẩy ra ngoài

- Hầm biogas composite có thể lắp đặt mọi địa hình khác nhau, đặc biệt vùng trũng khiđào có nước việc lắp đặt rất đơn giản

- Di chuyển dễ dàng nếu cần thiết

- Hầm biogas composite có thể lắp đặt thêm nhiều các thiết bị phụ để nâng cao tính hiệusuất sinh khí như: khử mùi, máy phát điện chạy bằng gas, bình nước nóng chạy bằnggas

- Thông thường hầm biogas composite có 3 loại kích thước:

+ Đường kính 1.9m

+ Đường kính 2.25m

+ Đường kính 2.4m

Hình 2.5 Mô hình hầm biogas composite

2.1.4 Các tập chất lẫn trọng khí biogas và phương pháp loại bỏ tạp chất

2.1.4.1 Các tạp chất lẫn trong khí biogas

 H 2 S (Hydrogen sulphide)

H2S được hình thành trong hầm khí sinh học do sự chuyển đổi protein của các chất cóchứa lưu huỳnh Các chất này có thể là protein thực vật hoặc là do dư lượng thức ăn giaxúc

Trong quá trình sử dụng, sự hiện diện H2S làm ăn mòn các bộ phận kim loại như: bộ

ổn áp lực, đồng hồ đo lưu lượng khí, van và giá đỡ vv…

Sản phầm của quá trình cháy H2S là SO2 kết hợp với hơi nước sinh ra axit (H2SO4),gây ăn mòn động cơ, hệ thống thải và các chi tiết tiếp xúc với khí thải Ngoài ra còn làmdầu bôi trơn bị biến chất do SO2 trong sản phẩm cháy và hơi nước hòa tan trong dầu bôitrơn

2H2S + O2 → 2H 2O + 2S (1)

2H2S + 3O2 → 2H2O +2SO2

SO2 + H2O → H2SO3

2H2SO3 + 3O2 → 2H2SO4

 Siloxane

Trong quá trình cháy Siloxane bị oxi hóa thành oxide silicon bám vào bougie, xú páp

và đầu xi lanh, đỉnh piston Lớp bám này sẽ ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt, tỷ sốnén động cơ làm bẩn dầu động cơ

Trong quá trình cháy Siloxane biến thành những hạt mài silic gây mòn phần đầu xilanh, xú páp

Sử dụng dung môi hữu cơ là chất lỏng hấp thụ Những dung môi hữu cơ có thể sửdụng là: alkanol, selexol, LP cooab Những dung môi này làm CO2 hòa tan nhiều trongnó

Trên cơ sở nguyên lý loại trừ H2S và CO2 trên đây, trong sơ đồ này, ta chọn phương

Để khử H2S sử dụng phoi tiện sắt làm chất hấp phụ:Fe2O3 + 3H2S = Fe2S3 + 3H2O (5) Nhả hấp phụ: 2Fe2S3 + 3O2 = 2Fe2O3 +6S (6)

Hình 2.6 Lõi lọc H2S bằng phoi tiện.

Hình 2.7 Sơ đồ cột hấp thụ CO2 bằng nước

Phoi sắt trong môi trường không khí bị oxy hóa thành oxít sắt Fe2O3 Quá trình hấpphụ và nhả hấp phụ theo phản ứng (5), (6) Hệ thống khử H2S gồm hai bình lọc đặt songsong Nhờ hệ thống van, một trong hai cột lọc này có thể dừng lại để hoàn nguyên haythay thế vật liệu hấp phụ mới mà không gây cản trở cho việc cung cấp khí biogas Hoànnguyên lọc được thực hiện nhờ thổi không khí ấm qua lõi lọc phoi tiện Nhiệt lượng cungcấp cho không khí có thể lấy từ hệ thống làm mát hay hệ thống thải của động cơ.

Sau khi qua bình lọc H2S, khí biogas được dẫn đến hệ thống khử CO2 Hệ thống nàygồm bình hấp thụ và bình nhả hấp thụ Khí biogas có chứa CO2 và sương nước chuyểnđộng ngược chiều trong cột hấp thụ có đường kính 0,25m và chiều cao 3m Sau khi hấpthụ CO2, nước được gia nhiệt và được bơm lên cột nhả hấp thụ để giải phóng CO2 Nướcsạch thu lại trong bình nhả hấp thụ được bơm tuần hoàn trở lại trong hệ thống Nhiệtlượng cung cấp cho hệ thống này có thể lấy từ hệ thống làm mát hay hệ thống thải củađộng cơ Trước khi đưa vào động cơ, khí biogas được dẫn qua bình tách ẩm và bình điềuhòa

Hình 2.8 Hệ thống xử lý H2S và CO2 thí nghiệm.

hàm lượng của nó trong khí biogas trước khi qua lọc Hàm lượng H2S tiếp tục giảm saukhi qua cột hấp thụ CO2 vì một bộ phận tạp chất này cũng bị nước hấp thụ.

Bảng 2.2 Thành phần khí biogas sau khi qua lọc.

Có thể nâng cấp biogas thành khí thiên nhiên ( H2S< 5ppm, CH4> 96%, CO2< 2% thểtích), loại bỏ cặn và xicloxan

Bảng 2.3 Tiêu chuẩn khí biogas ở các nước phát triển

HHV [MJ /m n3

L:34.2-37.8Wobbe(upper)[MJ /m n3

L:37.8-46.8

H:48.2-56.5L:42.5-46.8

(Nguồn: Stone,et,at 1993)

2.1.5 Lưu trữ và vận chuyển khí biogas sạch

Biogas tại nơi sản xuất có thể được vận chuyển đến nơi sử dụng bằng phương pháp thủcông Biogas được nạp vào túi chứa khí ở áp suất 20 mm H2O rồi chở đến nơi tiêu thụ.Trong công nghiệp khí biogas được nén và vận chuyển trong các chai chứa khí cao ápthành từng cụm được xe rơ-mooc kéo đến và đặt nơi tiêu thụ Khi hết gas cụm bình nạpđầy khí khác sẽ được vận chuyển đến để thay thế

Hình 2.9 Vận chuyển khí biogas nén

Việc sử dụng biogas trên phương tiện giao thông phải có những phương pháp lưu trữphù hợp với xe trong mọi điều kiện Lượng biogas lớn chỉ có thể dữ trữ vào dung tíchnhỏ khi được nén ở áp suất cao khoảng 200 – 300 bar hoặc CH4 tinh khiết được hóa lỏng

ở điều kiện nhiệt độ thấp (-161 độ C)

Biogas hóa lỏng yêu cầu làm khô và gần như tinh khiết 100% CH4 trong một chu trìnhnhiệt độ thắp -161 độ C.

Dạng lưu trữ tối ưu tại những điều kiện mà giảm thể tích được chú ý Quá trình đónggói biogas hóa lỏng trong bình chứa được thiết kế đặc biệt với cách nhiệt chân không vàthực tế bình chứa vài ngày phải được lưu trữ ở nhiệt độ thấp ngăn chặn sự hóa hơi Việchóa lỏng biogas như vậy giúp tiết kiệm khoảng không gian trên xe và thời gian hoạt độngdài hơn

2.2 Các thông số cơ bản

2.2.1 Tốc độ cháy trong điều kiện tự nhiên

Dựa vào hình 2.10 ta thấy được rằng hàm lượng methane trong hỗn hợp càng cao thì

tốc độ cháy là cao nhất Từ đó vấn đề quan trọng cần được quan tâm trong việc phân tíchcác loại nhiên liệu khí là tốc độ phát triển ngọn lửa trong suốt quá trình phản ứng Điềunày rất cần thiết khi thiết kế các bộ trộn hỗn hợp và thiết lập thời điểm đánh lửa sớmtrong động cơ

(Nguồn: Southeastem Regional Bio mass Energy Program,

Handbook on Biogas untilization, 1988, U.S) Hình 2.10 Ảnh hưởng của tỷ lệ CO2 đến tốc độ cháy

2.2.2 Giới hạn bắt lửa trong điều kiện tự nhiên

Giới hạn bắt lửa cho ta biết tỷ lệ tối đa và tối thiểu của hỗn hợp không khí/biogas màtại đó hỗn hợp sẽ bắt cháy Đây là thông số quan trong trong quá trình đốt cháy khí sinhhọc do sự pha loãng của methane với CO2 và các khí trơ khác Dựa vào hình 2.11 ta thấy

giới hạn bắt lửa trong điều kiện tự nhiên nằm ở mức từ 5% đến 15%

(Nguồn: Southeastem Regional Bio mass Energy Program,

Handbook on Biogas untilization, 1988, U.S) Hình 2.11 Giới hạn bắt lửa biogas trong điều kiện tự nhiên

2.2.3 Nhiệt độ ngọn lửa khi cháy trong điều kiện tự nhiên

Nhiệt độ ngọn lửa được tạo ra bởi hỗn hợp không khí/nhiên liệu rất quan trọng trongviệc xác định hiệu suất động cơ Nhiệt độ ngọn lửa theo lý thuyết methane trong hỗn hợp

cháy hoàn toàn với không khí là 3484 F Quan sát hình 2.12 ta thấy tỷ lệ methane trong