Trong thời đại hiện đại, vấn đề ô nhiễm môi trường đang trở thành một trong những thách thức lớn nhất mà nhân loại đối mặt. Sự phát triển của công nghiệp và xã hội đã dẫn đến việc tăng cường sản xuất và tiêu thụ năng lượng, điều này càng khiến lượng khí thải và chất thải từ các nguồn năng lượng hóa thạch tăng cao, làm ô nhiễm nguồn nước, ô nhiễm nguồn đất đai, và đặc biệt là các chất thải khí làm ô nhiễm nguồn không khí, làm thủng tầng ôzôn, gây hiệu ứng nhà kính. Ô nhiễm không chỉ gây ra những hậu quả nghiêm trọng cho môi trường tự nhiên mà còn đe dọa đến sức khỏe và cuộc sống của con người. Một xu hướng hiện nay, là nghiên cứu thay thế sử dụng nhiên liệu truyền thống: xăng, dầu diesl,. bằng các loại nhiên liệu “sạch” cho các loại động cơ như: năng lượng mặt trời, khí thiên nhiên, khí dầu mỏ hoá lỏng, năng lượng điện, khí sinh vật biogas. Nước ta là nước có nền nông nghiệp rất phát triển. Hầu như tất cả các vùng trong nước đều có các hộ chăn nuôi gia súc và phong trào xây dựng các hầm khí biogas quy mô gia đình đang rất phát triển , khí biogas được tạo ra từ quá trình phân hủy sinh học của chất hữu cơ, như phân bò, phân lợn, và các chất thải hữu cơ khác. Do đó số lượng khí biogas dư thừa là rất lớn. Có nhiều hộ đã sử dụng rất nhiều trong việc nấu ăn mà vẫn không hết khí và còn thải bớt lên trời vì quá nhiều khí trong bình chứa. Để tận dụng nguồn năng lượng sinh học dư thừa này, nhóm chúng em đã chọn đề tài Nghiên cứu lắp đặt hệ thống phát điện chạy bằng khí biogas cho hộ gia đình ở vùng sâu, vùng xa trung tâm. Từ đó ta có thể dùng điện để chạy các thiết bị điện trong nhà từ nguồn nguyên liệu vô tận tại chỗ, không tốn tiền. Giảm được chi phí điện hàng tháng mà ta phải trả cho ngành điện lực, mang lại lợi ích to lớn cho cộng đồng ở các khu vực vùng sâu, vùng xa trung tâm, từ việc cung cấp nguồn điện đáng tin cậy đến việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Ngoài lời mở đầu và kết luận, nội dung bài báo cáo thực tập của em gồm 4 chương:
LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại hiện đại, vấn đề ô nhiễm môi trường đang trở thành một trong những thách thức lớn nhất mà nhân loại đối mặt Sự phát triển của công nghiệp và xã hội đã dẫn đến việc tăng cường sản xuất và tiêu thụ năng lượng, điều này càng khiến lượng khí thải và chất thải từ các nguồn năng lượng hóa thạch tăng cao, làm ô nhiễm nguồn nước, ô nhiễm nguồn đất đai, và đặc biệt là các chất thải khí làm ô nhiễm nguồn không khí, làm thủng tầng ôzôn, gây hiệu ứng nhà kính Ô nhiễm không chỉ gây ra những hậu quả nghiêm trọng cho môi trường tự nhiên mà còn đe dọa đến sức khỏe và cuộc sống của con người Một xu hướng hiện nay, là nghiên cứu thay thế sử dụng nhiên liệu truyền thống: xăng, dầu diesl, bằng các loại nhiên liệu “sạch” cho các loại động cơ như: năng lượng mặt trời, khí thiên nhiên, khí dầu mỏ hoá lỏng, năng lượng điện, khí sinh vật biogas Nước ta là nước có nền nông nghiệp rất phát triển Hầu như tất cả các vùng trong nước đều có các hộ chăn nuôi gia súc và phong trào xây dựng các hầm khí biogas quy mô gia đình đang rất phát triển , khí biogas được tạo ra từ quá trình phân hủy sinh học của chất hữu cơ, như phân bò, phân lợn, và các chất thải hữu cơ khác Do đó số lượng khí biogas dư thừa là rất lớn Có nhiều hộ đã sử dụng rất nhiều trong việc nấu ăn mà vẫn không hết khí và còn thải bớt lên trời vì quá nhiều khí trong bình chứa Để tận dụng nguồn năng lượng sinh học dư thừa này, nhóm chúng em đã chọn đề tài Nghiên cứu lắp đặt hệ thống phát điện chạy bằng khí biogas cho hộ gia đình ở vùng sâu, vùng xa trung tâm Từ đó ta có thể dùng điện để chạy các thiết bị điện trong nhà từ nguồn nguyên liệu vô tận tại chỗ, không tốn tiền Giảm được chi phí điện hàng tháng mà ta phải trả cho ngành điện lực, mang lại lợi ích to lớn cho cộng đồng ở các khu vực vùng sâu, vùng xa trung tâm, từ việc cung cấp nguồn điện đáng tin cậy đến việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường Ngoài lời mở đầu và kết luận, nội dung bài báo cáo thực tập của em gồm 4 chương: Chương 1: Chương 2: Chương 3: Chương 4: Do hiểu biết và thời gian còn hạn chế nên đề tài của nhóm không tránh khỏi thiếu sót và chưa đáp ứng đầy đủ tính khoa học của đề tài , nhóm rất mong nhận được sự góp ý chỉ bảo của các thầy cô để đề tài của nhóm được hoàn thiện hơn Em xin chân thành cảm ơn ! Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGUYÊN CỨU 1.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGUYÊN CỨU 1.1.1 Giới thiệu về 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 1.1.2 Mục đích và ý nghĩa của đề tài 1.1.2.1 Mục đích của đề tài Nghiên cứu thiết kế bộ tạo hỗn hợp Biogas để chạy động cơ máy điện cho hộ gia đình ở vùng sâu, vùng xa trung tâm Từ đó ta có thể dùng điện để chạy các thiết bị điện trong nhà qua đó tận dụng được nguồn năng lượng tại chỗ Việc tận dụng các nguồn năng lượng tại chỗ sẽ giúp cho người dân tiết kiệm kinh phí, tăng thu nhập cho người dân, góp phần đẩy mạnh công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa nông nghiệp nông thôn, đảm bảo sự phát triển bền vững của đất nước 1.1.2.2 Ý nghĩa của đề tài Sử dụng nhiên liệu khí Biogas làm nguồn nhiên liệu sạch chạy cho động cơ máy phát điện, góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường và giảm mức độ phát thải khí CO2,Nox , CO, ( đốt cháy được khí CH4 gây hiệu ứng nhà kính gấp 21 lần so với khí CO2) Tìm ra giải pháp cho vấn đề sử dụng nguồn nhiều liệu Biogas mà hiện nay chúng ta đang lãng phí Biogas là nguồn nhiên liệu thay thế cho xăng, dầu có nguy cơ cạn kiệt 1.2 TỔNG QUAN VỀ BIOGAS 1.2.1 Vấn đề năng lượng hiện nay Dân số thế giới ngày càng tăng khiến cho nhu cầu tiêu thụ năng lượng cũng tăng theo nên nhu cầu về năng lượng là rất cần thiết, trong khi các nguồn năng lượng dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí đốt thiên nhiên và ngay cả thủy điện là có hạn khiến cho nhân loại có nguy cơ dứng trước việc thiếu năng lượng Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng gió, năng lượng mặt trời là một trong những hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng Do đó việc nghiên cứu sử dụng các nguồn khí sinh học (biogas) đã được triển khai và đạt được một số thành tựu đáng kể ở nhiều nước nhất là các nước đang phát triển Châu Á 1.2.2 Tình hình phát triển Biogas Trên thế giới Hiện nay ở quy mô toàn cầu, Biogas là nguồn năng lượng lớn Tổng sản lượng ứng dụng chiếm 9% đến 10 % tổng năng lượng trên thế giới Theo tính toán, nếu tận dụng xử lý được hết nguồn phế thải toàn cầu thì hàng năm người ta có thể tạo 200 tỷ mỏ khí sinh học, tương đương 150 đến 200 triệu tấn nhiên liệu và kèm theo nó là khoảng 20 triệu tấn phân bón hữu cơ chất lượng cao Có thể nói rằng, Ấn Độ và Trung Quốc là hai quốc gia có sự phát triển nhanh chóng về công nghệ xây dựng các bể lên men metan - Ấn Độ Công nghệ khí sinh học bắt đầu ở Ấn Độ bắt đầu từ năm 1897 Ban đầu, các trạm Biogas chỉ có quy mô hộ gia đình Hàng năm có khoảng 200.000 hộ gia đình Ấn Độ chuyển từ sử dụng năng lượng củi đốt sang sử dụng Biogas Năm 1985, Ấn Độ có khoảng 1 triệu bể với chi phí xây dựng khoảng 55 triệu đô la Tính tới năm 1999 đã có tới 2,9 triệu công trình hầm khí sinh học gia đình và 2700 công trình hầm khí tập thể xử lý phân người được xây dựng Ước tính số công trình này hàng năm tiết kiệm 3 triệu tấn củi và 0,7 triệu tấn Urê Tháng 3 năm 2000, Ấn Độ có 3 triệu công trình hầm khí sinh học - Trung Quốc Lịch sử phát triển khí sinh học ở Trung Quốc bắt đầu từ cuối thế kỷ XIX Năm 1978 đã xây dựng 7,5 triệu bể với hàng năm tạo ra khoảng 2,5 tỷ m³ khí metan, tương đương 1,5 triệu tấn dầu mỏ Cho đến năm 1979, trên lãnh thổ Trung Quốc đã có 301 trạm phát điện nhỏ sử dụng khí Biogas Riêng ở tỉnh Sichuan các trạm này có tổng công suất là 1.500kW Đến 1985, Trung Quốc đã xây dựng được 70 triệu bể khí metan Từ những năm cuối của thập kỉ 80 của thế kỉ trước, người ta đã tính toán tới việc sử dụng năng lượng sinh học để thay thế các dạng năng lượng sử dụng nhiên liệu hóa thạch và Biogas trở thành đối tượng cho chương trình nghiên cứu năng lượng phục vụ nông thôn của Trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng năng lượng và công nghệ mới – Bộ nông nghiệp Trung Quốc ( 1994) Cuối năm 2003, Trung Quốc có hơn 9,7 triệu hầm cho các hộ gia đình trên toàn quốc Trên 90% hầm đang hoạt động tốt, sản xuất ra khoảng 2.980.000 m³/năm Biogas chủ yếu được sử dụng vào mục đích đun nấu, thắp sáng và chạy các động cơ phát diện Tại Việt Nam Công nghệ khí sinh học đã được nghiên cứu và ứng dụng ở Việt Nam từ những năm 1960 Lịch sử phát triển công nghệ khí sinh học ở Việt Nam chia thành 4 thời kỳ chính - Thời kỳ 1960 – 1975: Đã tiến hành thí nghiệm biện pháp sản xuất khí metan từ phân động vật nhưng cuối cùng cũng không thành công Nguyên nhân là do nhập cảnh ồ ạt các loại khí đốt Butan, Propan và phân hóa học - Thời kỳ 1976 – 1980: Chế tạo thiết bị sản xuất khí sinh học loại nắp nổi bằng tôn, bể phân hủy xây bằng gạch và cổ bể có gioăng nước để giữ kín khí được tích trong nắp chứa khí Tuy nhiên, việc thử nghiệm trên bị thất bại do kỹ thuật và quản lý - Thời kỳ 1981 – 1990: Trong hai kế hoạch 5 năm (1981-1985 và 1986-1990), công nghệ khí sinh học đã trở thành một trong những lĩnh vực được ưu tiên Năm 1990, TP Hồ Chí Minh có trên 700 công trình, Đồng Nai có 468 công trình, Hậu Giang có 240 công trình, Hà Bắc có 50, Lai Châu có 40, Quảng Ngãi có 43 công trình Nói chung toàn quốc có khoảng 2000 công trình Đa số các công trình đều hoạt động tốt, với thể tích khoảng 2/200 m³ - Thời kỳ 1991 tới nay: 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 5 m³, 7 m³, 8 m³, 10 m³, 15 m³) 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 Hiện nay mô hình xử lý phân gia súc, gia cầm bằng hệ thống Biogas đang ngày càng phổ biến ở Việt Nam 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 điện nội bộ Ngoài ra, khi xây dựng hệ thống Biogas, người ta thường kết hợp với dây chuyền sản xuất phân hưu cơ, đem lại thêm một nguồn lợi kinh tế đáng kể 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 Các khu vực đang tập trung nhân rộng mô hình Biogas hiện nay: ở niềm Bắc tập trung các huyện Đan Phượng, Quốc Oai (Hà Nội) theo dự án SGP/VN/98/003, ở miền Nam tập trung ở lân cận thành phố Hồ Chí Minh và ở Tây Nam Bộ thì tập trung ở Cần Thơ Chương 2 ĐẶC TÍNH KHÍ BIOGAS 2.1 THÀNH PHẦN CHỦ YẾU CỦA BIOGAS Biogas từ các nguồn khác nhau thì có chất lượng tương đối khác nhau và phụ thuộc vào một số yếu tố nhất định Thành phần của Biogas phụ thuộc vào loại chất thải bị phân huỷ, độ dài của thời gian lưu trong đó chất thải trải qua quá trình phân huỷ Biogas sinh ra từ quá trình phân huỷ, khí là hỗn hợp của nhiều loại khí Hỗn hợp này thông thường bao gồm 60-70% CH4, 30-40% CO2, và ít hơn 1% hydrogen sulfide (H2S) Hàm lượng H2S nói chung vào khoảng từ 100 đến 2000 ppm Thỉnh thoảng cũng gặp trường hợp nhỏ hơn 2 ppm và cao hơn 8000 ppm Lượng vết nitrogen (đến 10%), hydrogen (đến 5%), oxygen, và các thành phần khác cũng có thể có mặt với nồng độ khác nhau Tuy nhiên, do hàm lượng của chúng quá nhỏ, nên chúng rất khó phát hiện và thường chẳng quan trọng Biogas sau khi qua lọc thì thành phần gồm 70-90% CH4, 9-29% CO2 2.2 TÍNH CHẤT VẬT LÝ Khí Biogas là một hỗn hợp khí sinh ra từ sự phân hủy các hợp chất hữu trong môi trường yếm khí: Hỗn hợp này có thành phần chính gồm có CH4 chiếm tỷ lệ lớn và CO2 Các tính chất vậy lý liên quan đến chúng sẽ được liệt kê ở dưới đây: Hình 2 1: Một số tính chất của Biogas 2.2.1 Nhiệt trị và khối lượng riêng Nhiệt trị của nhiên liệu là nhiệt lượng giải phóng ra khi đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu và sản phẩm được làm nguội tới điều kiện tiêu chuẩn, đơn vị đo là kJ/kg hoặc MJ/kg Nhiệt trị thấp Qh: là nhiệt lượng thu được khi đốt cháy hoàn toàn 1 đơn vị khối lượng (1kg) hoặc 1 đơn vị thể tích (1m³) Qh = Qo-2,512 x (9H- W) MJ/kg Trong đó: Qo – nhiệt trị cao; 2,512 MJ/kg – Nhiệt ẩn hóa hơi của 1 kg hơi nước 9H – Lượng hơi nước hình thành khi đốt cháy H kg Hydro có trong 1 kg nhiên liệu W− Lượng hơi nước chứa trong 1 kg nhiên liệu Nhiệt trị cao Qo: là nhiệt lượng thu được khi đốt cháy hoàn toàn 1 đơn vị khối lượng (1kg) nhiên liệu có kể cả số nhiệt lượng tỏa ra do ngưng tụ hơi nước chứa trong sản phẩm cháy khi ta làm lạnh nó đến nhiệt độ bằng nhiệt độ trước khi cháy Vì vậy, Qh thấp hơn Qo một trị số = nhiệt ẩn hóa hơi của nước chứa trong sản phẩm cháy Thông thường Biogas có nhiệt trị khoảng 37-50 MJ/kg Nhiệt trị phụ thuộc vào lượng khí metan có trong thành phần của khí Biogas Lượng khí CH4, chiếm thể tích càng lớn thì nhiệt trị càng cao Hình 2 2: Nhiệt trị của Biogas theo khối lượng riêng và phần trăm thể tích CH4 Khối lương riêng của CH4: 0,66 kg/ m³ Hình 2 3: Khối lượng riêng của khí Biogas theo nhiệt độ và áp suất 2.2.2 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 mà hỗn hợp có thể cháy Giới hạn cháy của Biogas phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng CH4 trong khí Biogas Hình 2 4: Giới hạn cháy phụ thuộc vào % thể tích CH4 và hơi nước trong khí Biogas Từ đồ thị (hình 2.4) ta thấy rằng hàm lượng khí metan trong khí biogas tăng thì giới hạn cháy giảm, giới hạn cháy là một thông số quan trọng 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 2.2.3 Nhiệt độ cháy cáo nhất Nhiệt độ cháy cao nhất của hỗn hợp Biogas và không khí là một thông số quan trọng 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 Hình 2 5: Nhiệt độ cháy phụ thuộc vào % thể thích CH4 và hơi nước trong khí Biogas Từ đồ thị (hình 2.5) ta thấy rằng % CH4 trong 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 2.2.4 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 CH 4 là nhiên liệu khí có nhiệt độ tự cháy rất cao, nên biogas có nhiệt độ tự cháy cao khoảng 482-632 °C Với nhiệt độ tự cháy cao như vậy CH4 được đánh giá là nhiên liệu có khả năng cháy chống kích nổ cao với chỉ số octane 120 Hình 2 6: Nhiệt độ tự cháy của các nhiên liệu 2.2.5 Vận tốc cháy Vận tốc cháy của hỗn hợp Biogas là vận tốc lan truyền màng lửa trong hỗn hợp Biogas Thông số này quyêt định đến kết cấu buồng cháy của thiết bị cháy, thời điểm đánh lửa hoặc thời điểm phun nhiên liệu mồi Vận tốc ngọn lửa phụ thuộc vào % thể tích CH4 trong hỗn hợp Biogas và % thể tích CO 2 trong Biogas Hình 2 7: Vận tốc cháy phụ thuộc vào lượng CH4, CO 2 trong khí biogas Từ đồ thị (hình 2.7) ta thấy rằng hàm lượng CO 2 tăng thì vận tốc lan tràn màng lửa sẽ giảm Tuy nhiên, vận tốc lan truyền màng lửa của hỗn hợp Biogas không biến đổi tuyến tính theo sự thay đổi hàm lượng CH 4 trong hỗn hợp, và vận tốc lan truyền màng lửa đạt giá trị lớn nhất khi % thể tích CH 4 khoảng 9%-10% thể tích hỗn hợp 2.3 TÍNH CHẤT HÓA HỌC 2.3.1 Công thức phân tử và công thức cấu tạo - Công thức phân tử là : CH4 - Công thức cấu tạo : Hình 2 8: Công thức cấu tạo CH4