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

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

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 Hồ Chí Minh đã giảng dạy và truyền đạt, cho chúng em kiến thức đại cương cũng như các kiến thức chuyên ngành, giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp

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 điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đồ án tốt 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

2.3.1 Thời gian cháy của methane 34

2.3.2 Hiệu suất 35

2.3.3 Vấn đề giảm ô nhiễm 35

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 CH4 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 đốt trong làm ô nhiễm môi trường làm mất cân bằng sinh thái vốn có trong tự nhiên, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người Khi nguồn nhiên liệu hóa thạch trong lòng đất đã được sử dụng hết, thì đồng nghĩa với khối lượng carbon chôn vùi trong lòng đất từ khi nó hình thành đến nay, được giải phóng ra bầu khí quyển gây nên hiệu ứng nhà kính là điều không tránh khỏi…Từ những vấn đề còn bất cập ấy việc sử dụng nguồn nhiên liệu mới “sạch” được các nước tiên tiến trên thế giới đặc biệt 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 ứng dụng vào thực tiễn từ rất lâu, dùng thắp sáng đường phố, dùng sản xuất điện quy mô lớn, sử dụng các máy công nghiệp cỡ lớn ví dụ như :hầm ủ khí biogas nắp trôi nổi KVIC( Ấn Độ),hầm ủ biogas nắp cố định( Trung Quốc) hoặc hệ thống Darmstadt do trường 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 giá thành 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 nhờ các chương trình hỗ trợ từ chính phủ và sự quan tâm của các tổ chức quốc tế ví dụ như : năm 2002 Bộ Nông Nghiệp va Phát triển nông thôn ban hành các tiêu chuẩn đầu tiên thiết kế và xây dựng hầm ủ biogas , năm 2003 Việt Nam hợp tác với Hà Lan thực 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 Họ tận dụng nguồn khí dồi dào này từ rất nhiều nguồn cung: rác thải, cây cỏ, phân gia xúc Nhiên liệu khí sinh học biogas với các ưu điểm giúp giảm ô nhiễm môi trường, phát triển kinh tế địa phương ….Tuy nhiên với trữ lượng khí dồi dào như vậy, ta chỉ mới dừng ở

gia đình nhỏ lẻ, với quy mô ứng dụng lớn hơn là dùng sản xuất điện, thắp sáng đường phố, vận hành các máy công nông như các nước tiên tiến trên 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 sinh học 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 tiến động 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, ta phân tích rút ra các nhận xét nhiên liệu biogas và sự ảnh hưởng nhiên liệu biogas đến động 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 tổ hợp metan (CH4), cacbonic (CO2) và các sản phẩm khác được sản xuất ra từ quá trình phân 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 học biogas:

• 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 sử dụng cho động cơ đốt trong thì đây là một phương pháp hữu ích Việc sử dụng nhiên liệu biogas 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 cạn kiệt

• Biogas góp phần làm cho môi trường xanh sạch hơn, bảo vệ môi trường và sức khỏe con người

Tính chất vật lý:

Tính chất vật lý của biogas có ảnh hưởng lớn đến việc lựa chọn công nghệ sử dụng cho 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 )

Nhiệt dung Cp (1at) 6,962.10-4 J/ kg-0C 2,643.10-4 J/ kg-0C

───

(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 chính xác hơn Năm 1870 một người nổi tiếng trong lịch sử hóa học là Joseph Priestly, báo cáo một 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 methane sinh ra từ phân chuồng đã thu hút sự chú ý của các nhà khoa học và các nhà vật lý Hầu như 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 Louis Pasteur

là Gayon đã có thể sản xuất đủ khí methane dùng cho việc sưởi ấm và chiếu sáng cho gia đình, từ đó biogas được ứng dụng vào đời sống Năm 1896, khí đốt sinh ra từ các trạm 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 khí methane

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 methane chạy các máy phát điện Tại Đức vào năm 1951 đã có hơn 48 nhà máy xử lý nước thải cung cấp hơn 16 triệu mét khối khí methane, 3,4% trong số đó dùng cho sản xuất điện và 16,7% 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 nguồn nhiên liệu hóa thạch, họ đã chuyển sang dùng nguồn nhiên liệu methane để thay thế và chúng đã được phát triển mạnh mẽ Do không thể hóa lỏng nguồn nhiên liệu trong điều kiện thực tế nên họ đã nghĩ đến phương pháp nén chúng với áp suất nén là 300 psi vào các bình chứa nhiên liệu

Với các kinh nghiệm có được qua mỗi giai đoạn lịch sử, đến sau chiến tranh thế giới thứ

2, việc sản xuất khí sinh học biogas đã được nghiên cứu và phát triển ứng dụng cho nhiều quốc gia khắp các châu lục: Nam Phi, Nga, Autralia, Ấn Độ, Hàn Quốc, Nhật Bản… Ở châu Á, Ấn Độ được xem như nước tiên phong trong việc ứng dụng khí sinh học 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 các nước 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 biogas tăng lên nhanh chóng và các nước đã chạy đua phát triển biogas hiện đại, để cạnh tranh trên thị trường năng lượng và tiếp nhận các khoản hỗ trợ môi trường từ các tổ chức thế giới Các nước Đức, Áo, Đan Mạch là những nước tiên phong trong kỹ thuật biogas Ở Trung 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 số lượng 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 năm gần đây Tại Thái Lan biogas từ chất thải nông nghiệp dùng cho công nghiệp điện với sản lượng 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 nguồn nhiên 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 nhiên liệu kép Động cơ nhiên liệu kép phun khoảng 10% nhiên liệu Diesel mồi được ứng dụng rộng 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 tạo hỗn hợp biogas-không khí, động cơ có thể làm việc với hỗn hợp vừa đủ hay nghèo Đối với 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 đảm bảo

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

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

Những năm 1991 trở lại đây nhiều nhà khoa học trong nước đã nghiên cứu, triển khai nhiều công trình xử lý chất thải bằng hệ thống khí sinh học biogas (mô hình hình cầu của Viện năng lượng với thể tích 5m3, 7m3, 8m3, 10m3, 15m3) đã tạo ra một nguồn phân bón đáng kể, khả năng giải quyết nguồn năng lượng sạch tại chỗ và giảm thiểu ô nhiễm môi trường Ở miền Trung, Tây Nguyên, hàng loạt các mô hình bể biogas cũng được áp dụng cho các hộ chăn nuôi gia súc, các nông trường chăn nuôi trên địa bàn như mô hình của Trung tâm Năng lượng mới (Sở khoa học công nghệ thành phố Đà Nẵng, mô hình bể biogas phá váng tự động của Phân Viện bảo hộ lao động và Bảo vệ Môi trường miền Trung, Tây nguyên Nhiều tổ chức quốc tế đang quan tâm phát triển công nghệ ở Việt Nam: họ tổ chức nhiều hội thảo, tài trợ nhiều dự án phát triển năng lượng sinh khối ở nước 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 thương mại 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 lớn trong việc xử lý phân và nước thải khổng lồ thải ra mỗi ngày, loại bỏ được nguy cơ gây ô nhiễm môi trường, lây lan dịch bệnh cho cộng đồng và sản xuất gas cho các hệ thống phát

ủ phân Bán

Môi trường xung quang

Ủ phân

điện nội bộ Đối với qui mô chăn nuôi hộ gia đình, mô hình xử lý biogas bằng plastic đang phát triển rộng rãi do đặc điểm giá rẻ, dễ lắp đặt và phù hợp với mô hình nông trại kết hợp Các mô hình nhỏ này giúp các hộ nông dân xử lý được phân và chất thải gia súc, tránh ô nhiễm môi trường, nhất là các khu vực có các hộ chăn nuôi tập trung cao ở miền Bắc, cung cấp gas làm giảm chi phí hoạt động cho gia đình và nước thải ra sau 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, chúng thực sự chưa được ứng dụng nhiều vào công nghiệp là do các máy chuyên dùng biogas được sản xuất từ nước ngoài có giá thành rất đắt Những động cơ biogas nhỏ cấu tạo đơn giản có công suất nhỏ khả năng làm việc không đáng tin cậy và chưa tận dụng hết nguồn nhiên liệu biogas dồi dào của nước ta, từ những hạn chế đó nguồn nhiên liệu biogas chưa được 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 cơ đốt trong, giải pháp cho việc chuyển đổi động cơ truyền thống sang dùng biogas phải đáp ứng và thỏa mãn một số điều kiện như: mang tính vạn năng cao, kết cấu động cơ truyền thống không bị thay đổi quá nhiều, độ tin cậy cao, dễ lắp đặt, vận hành tốt, giá thành thấp vv

GS.TSKH Bùi Văn Ga và các cộng sự ở Đại học Đà Nẵng đã nghiên cứu chuyển đổi động cơ sử dụng nhiên liệu xăng, dầu sang sử dụng biogas Động cơ chạy bằng xăng dầu truyền thống có thể được chuyển đổi sang chạy bằng biogas nhờ các bộ phụ kiện chuyển đổi 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 vật nuôi sản xuất biogas phục vụ đun nấu Mỗi hộ gia đình nuôi từ 4 con lợn trở lên đủ điều kiện để tạo ra loại khí đốt này, chỉ cần tốn 3 - 4 triệu để xây hầm và có thể sử dụng 15 năm

Sử dụng loại khí đốt này tiết kiệm được tiền điện hàng tháng, nâng cao hiệu quả kinh 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 dẫn phân vào bể phân huỷ Ở bể phân huỷ xảy ra quá trình lên men tạo khí sinh học, khí sinh học 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 thống khí, 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 sử dụng ethanol, biogas Đây là giải pháp biến đổi năng lượng hiệu quả nhất và thân thiện với môi trường nhất, hiệu suất lên đến 60% và phát thải mức thắp nhất Lưu ý là biogas dùng cho pin nhiên liệu phải được lọc kỹ H2S và các tạp chất khác Trong tương lai pin nhiên 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 ra chỉ được sử dụng một hoặc hai ngày, để dựa vào đó ta tính toán đầu tư vào hệ thống nén , lưu trữ và nạp nhiên liệu

• Chất lượng biogas: Chất lượng biogas ảnh hưởng đến khả năng lưu trữ biogas trên 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 vì tính chất ăn mòn của chúng

• Phạm vi công suất: Cần phải xem xét lượng xăng dầu dự trữ trên ô tô để dự trữ biogas tương ứng

• Cải tạo động cơ: Chúng ta quan tâm đến việc giảm công suất và giảm tính năng gia tốc khi động cơ truyền thống chuyển đổi sang dùng nhiên liệu biogas

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

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 𝐶𝐻4(%)

Thời gian lên men (ngày)

2.1.2 Các phương pháp hình thành khí Biogas

❖ Quá trình lên men

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 dẫn phân (2) vào bể phân huỷ Ở bể phân huỷ xẩy ra quá trình lên men tạo khí sinh học như sau:

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 phân hủy 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 (C2H5

COOH, 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 hoạt động của hầm biogas rất đơn giản chỉ gồm 1 đường dẫn phân tươi từ trại chăn nuôi vào hầm, ở

đó phân tươi bị phân hủy tạo khí mêtan (CH4) Khí mêtan bay lên theo ống dẫn đến các thiết bị tiêu thụ

Phân đã được phân hủy đến định mức sẽ theo đường dẫn tràn ra ngoài và hoạt động này 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 ta lượng 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 Lượng phân lấy được từ con người và gia súc gia cầm phụ thuộc vào nguồn thức ăn, sức khoẻ của 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 có thể kiểm tra độ kín ngay sau khi lắp đặt Không gãy nứt, không bị rò khí trong điều kiện móng yếu, không bị axit, bazơ ăn mòn…

- Hiệu suất không khí của hầm biogas composite cao và chịu được áp suất lớn và kín tuyệt 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 áp khí gas, gas quá nhiều hầm tự động xả khí thông qua hai cột điều áp không cần van an toàn

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

- Hầm biogas composite có thể lắp đặt mọi địa hình khác nhau, đặc biệt vùng trũng khi đào

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 hiệu suất sinh khí như: khử mùi, máy phát điện chạy bằng gas, bình nước nóng chạy bằng gas

- 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 2S (Hydrogen sulphide)

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

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 làm dầu bôi trơn bị biến chất do SO2 trong sản phẩm cháy và hơi nước hòa tan trong dầu bôi trơn 2H2S + 𝑂2 → 2H2O + 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 số nén động cơ làm bẩn dầu động cơ

Trong quá trình cháy Siloxane biến thành những hạt mài silic gây mòn phần đầu xi lanh,

➢ Hấp thụ hóa học

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

➢ Phương pháp tinh lọc biogas dùng cho động cơ đốt trong

Trên cơ sở nguyên lý loại trừ H2S và CO2 trên đây, trong sơ đồ này, ta chọn phương pháp đơn giản nhất để thực hiện việc loại bỏ hai chất trên, đó là dùng oxít sắt để khử H2S

và dùng nước để khử CO2 Khí biogas từ bể sinh khí được dẫn đến bình tách ẩm để ngưng

tụ hơi nước chứa trong nhiên liệu Sau đó nó được dẫn qua hệ thống lọc tạp chất

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 hấp phụ

và nhả hấp phụ theo phản ứng (5), (6) Hệ thống khử H2S gồm hai bình lọc đặt song song Nhờ hệ thống van, một trong hai cột lọc này có thể dừng lại để hoàn nguyên hay thay thế vật liệu hấp phụ mới mà không gây cản trở cho việc cung cấp khí biogas Hoàn nguyên lọc được thực hiện nhờ thổi không khí ấm qua lõi lọc phoi tiện Nhiệt lượng cung cấp 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 này gồm bình hấp thụ và bình nhả hấp thụ Khí biogas có chứa CO2 và sương nước chuyển động ngược chiều trong cột hấp thụ có đường kính 0,25m và chiều cao 3m Sau khi hấp thụ CO2, nước được gia nhiệt và được bơm lên cột nhả hấp thụ để giải phóng CO2 Nước sạch thu lại trong bình nhả hấp thụ được bơm tuần hoàn trở lại trong hệ thống Nhiệt lượng cung cấp cho hệ thống này có thể lấy từ hệ thống làm mát hay hệ thống thải của động cơ Trước khi đưa vào động cơ, khí biogas được dẫn qua bình tách ẩm và bình điều hòa

Hình 2.8 Hệ thống xử lý H2S và CO2 thí nghiệm

Kết quả phân tích khí biogas trước khi vào lọc, sau khi qua lọc H2S và sau khi ra khỏi

hệ thống lọc như dưới (bảng 1.3) Kết quả này cho thấy hàm lượng CH4 tăng từ 69,33% lên 88,09% (tăng 30% so với giá trị ban đầu) do hàm lượng khí CO2 đã bị nước hấp thụ (giảm từ 20,63% xuống 8,3%) Hàm lượng H2S chỉ còn 0,023%, tức chỉ bằng 0,5% so với

hàm lượng của nó trong khí biogas trước khi qua lọc Hàm lượng H2S tiếp tục giảm sau khi 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

➢ Tiêu chuẩn biogas dùng cho động cơ đốt trong ở một số nước

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

Bảng 2.3 Tiêu chuẩn khí biogas ở các nước phát triển

HHV [MJ/mn3] H:38.5-46.1

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

mn3]

H:46.1-56.5 L:37.8-46.8

H:48.2-56.5 L: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 thủ công 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 áp thành từng cụm được xe rơ-mooc kéo đến và đặt nơi tiêu thụ Khi hết gas cụm bình nạp đầy 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 trữ phù hợp với xe trong mọi điều kiện Lượng biogas lớn chỉ có thể dữ trữ vào dung tích nhỏ 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)

15 m3 biogas thô sẽ có năng lượng tương đương 98 kWh hoặc 10,1 Diesel Thể tích lưu trữ biogas trên xe phải gắp 5 lần lưu trữ Diesel Biogas tinh khiết (CH4) có tính chất cháy khác hơn so với biogas chứa đựng thành phần CO2 Quá trình cháy diễn ra nhanh hơn và

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

Dạng lưu trữ tối ưu tại những điều kiện mà giảm thể tích được chú ý Quá trình đóng gói biogas hóa lỏng trong bình chứa được thiết kế đặc biệt với cách nhiệt chân không và thực tế bình chứa vài ngày phải được lưu trữ ở nhiệt độ thấp ngăn chặn sự hóa hơi Việc hóa lỏng biogas như vậy giúp tiết kiệm khoảng không gian trên xe và thời gian hoạt động dài 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 tích các loại nhiên liệu khí là tốc độ phát triển ngọn lửa trong suốt quá trình phản ứng Điều này rất cần thiết khi thiết kế các bộ trộn hỗn hợp và thiết lập thời điểm đánh lửa sớm trong 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 mà tại

đó hỗn hợp sẽ bắt cháy Đây là thông số quan trong trong quá trình đốt cháy khí sinh học

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 trong việc 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

biogas càng thấp thì nhiệt độ ngọn lửa thấp, cụ thể với tỷ lệ 90% methane thì nhiệt độ là

3500 F , khi hàm lượng methane trong hỗn hợp giảm xuống thì nhiệt độ ngọn lửa cũng giảm dần theo Ta rút ra nhận xét nhiệt độ ngọn lửa lý thuyết giảm khi nồng độ các chất