[ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP] THIẾT KẾ HỆ THỐNG BIOGAS CUNG CẤP CHO HỘ GIA ĐÌNH CÔNG SUẤT 10m3

KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

-o0o -

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Trần Tuyết Hạnh MSSV: 0852010043 Ngày, tháng, năm sinh: 25-02-1990 Nơi sinh: Đồng Nai Ngành: Công nghệ kĩ thuật Hóa học

I TÊN ĐỀ TÀI: Thiết kế hệ thống Biogas cung cấp cho hộ gia đình với công suất

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

 Thiết kế một hệ thống tạo ra khí gas trong quy mô hộ gia đình  Công suất hay thể tích hầm biogas này là 10m3

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN: 22-3-2012 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 12-7-2012

V HỌ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Ths Nguyễn Thanh Thiện

Bà Rịa - Vũng Tàu, Ngày tháng năm 2012

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN

LỜI CẢM ƠN

Để cĩ thể hồn thành tốt khĩa luận tốt nghiệp này em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến:

BGH Trường đại học Bà Rịa- Vũng Tàu

Em xin gửi lời tri ân sâu sắc đến các quý Thầy Cơ trong khoa Hĩa Học & Cơng nghệ thực phẩm

Em xin chân thành cảm ơn giảng viên hướng dẫn thầy: Th.s Nguyễn Thanh Thiện đã tận tình hướng dẫn giúp em hồn thành khĩa luận tốt nghiệp này

Vì thời gian hạn hẹp và trình độ hiểu biết còn hạn chế, nên luận văn tốt nghiệp của em sẽ còn những thiếu sót không tránh khỏi, em rất mong được sự thông cảm , đóng góp ý kiến và sửa đổi của quý thầy cô

Vũng Tàu, ngày 11 tháng 07 năm 2012 SVTH

Trần Tuyết Hạnh

MỤC LỤC LỜI CÁM ƠN

DANH MỤC BẢNG DANH MUC HÌNH

1.1.Tổng quan về đề tài 1

1.1.1.Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Một số ưu điểm của nhiên liêu Biogas .3

1.2.1 Về mặt môi trường 3

1.2.2 Về mặt kỹ thuật 3

1.2.3 Về mặt kinh tế 3

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ BIOGAS 4

2.1.Tìm hiểu chung về Biogas 4

2.2 Sơ đồ sản xuất Biogas 5

2.3 Tính năng của Biogas 6

2.3.1 Thành phần chủ yếu của Biogas 6

2.3.2 Các tính chất của Biogas 7

2.4 Tình hình sử dụng biogas trong hộ gia đình 8

2.5 Cơ sở lý thuyết của công nghệ Biogas 8

2.5.1 Cơ sở lý thuyết 8

2.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men 10

2.5.2.1 Môi trường kỵ khí 10

2.5.2.3 Độ pH 11

2.5.2.4 Đặc tính của nguyên liệu 12

2.5.2.5 Thời gian lưu 12

2.8.1.3 Hầm sinh khí kiểu túi 17

2.8.1.4 Hầm sinh khí kiểu nước ngoài 18

2.8.2 Loại hầm biogas theo kiểu nạp nguyên liệu theo từng mẻ 18

2.8.3 Hầm biogas composite 19

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG BIOGAS GIA ĐÌNH 23

3.1 Hầm biogas 23

3.1.1 Lựa chọn hầm kích thước hầm biogas 23

3.1.2 Cấu tạo và chức năng từng bộ phận 25

3.1.3 Tính toán các phần của hầm biogas composite 26

3.2.1 Tính toán thiết kế thiết bị hấp phụ H2S 28

3.2.1.1 Cân bằng vật chất cho quá trình hấp phụ 28

3.2.1.2 Tính toán chiều cao lớp hấp phụ 32

3.2.2 Tính toán thiết bị hấp thụ khí CO2 39

3.2.2.1 Các thông số đầu vào và ra của khí Biogas 39

5.2.2.2 Tính chất của khí Biogas 43

3.2.2.4 Lập phương trình đường cân bằng 47

3.2.2.5 Tính toán lượng dung môi tiêu tốn và lập phương trình đường làm việc 48

3.2.2.6 Tính số đĩa lý thuyết 51

3.2.2.7 Tính vận tốc của khí đi trong tháp 52

3.2.2.8 Tính chiều cao tương đương của một bậc thay đổi nồng độ htđ 54

3.2.2.9 Chiều cao của tháp 54

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Các tính chất của các thành phần Biogas

Bảng 2.2: Đặc tính và lượng khí sinh ra của một số nguyên liệu

Bảng 2.3: Ảnh hưởng của các loại phân đến sản lượng và thành phần của khí thu được

Bảng 2.4: Thông số kĩ thuật vật liệu composite

Bảng 3.1: Thể tích hầm composite theo số luợng vật nuôi

Bảng 3.2: Thể tích và kích thước hầm composite

Bảng 3.3: Thành phần khí biogas vào và ra khỏi tháp hấp phụ H2S

Bảng 3.4: Lưu lượng và thành phần khí đi vào tháp hấp thụ

Bảng 3.5: Nồng độ phần mol các cấu tử khí ra khỏi tháp theo tính toán

Bảng 3.6: Nồng độ phần mol trung bình của các cấu tử khí

Bảng 3.7: Nồng độ khí CO2

Bảng 3.8: Cân bằng vật chất của tháp hấp thụ

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống sản xuất Biogas

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý tạo Biogas

Hình 2.3: Sơ đồ quá trình lên mem Methane

Hình 2.4: Ảnh hưởng của nhiệt độ với sản lượng khí

Hình 2.5: Hầm biogas kiểu vòm cố định

Hình 2.6: Hầm biogas nắp di động

Hình 2.7: Hầm biogas kiểu túi

Hình 2.8: Hầm biogas kiểu nuớc ngoài

Hình 2.9: Hầm biogas kiểu nạp nguyên liệu từng mẻ

Hình 2.10: Hầm biogas composite

Hình 3.1: Sơ đồ hoạt động bể biogas composite

Hình 3.2: Kiểu dáng hình học hầm biogas composite

Hình 3.3: Kích thước các bộ phận hầm biogas composite

Hình 3.4: Cấu tạo hầm biogas composite

Hình 3.5: Thiết bị lọc khí H2S

Hình 3.6: Phoi sắt trước khi bị oxy hóa (a) và sau khi bị oxy hóa (b

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

1.1 Tổng quan về đề tài

1.1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Thực tại ô nhiễm môi trường trong những thập niên gần đây đang là một vấn đề cấp bách của xã hội, hiện tượng ô nhiễm môi trường đang diễn ra khắp mọi nơi Hiện nay, ô nhiễm trong nông nghiệp chăn nuôi là một vấn đề cấp thiết đặt ra nhiều thử thách cho các nhà môi trường Cùng với việc tăng số lượng gia súc đã làm tăng số lượng chất thải chăn nuôi và gây ô nhiễm môi trường Do đó, vấn đề đặt ra là việc quản lý chất thải chăn nuôi để vừa ngăn chặn tác nhân gây ô nhiễm từ chất thải này vừa tái tạo năng lượng phục vụ sản xuất đang là vấn đề đặt ra cho ngành chăn nuôi và các ngành công nghệ khác

Công nghệ biogas nói riêng và công nghệ khí sinh học nói chung đã vạch ra cho người chăn nuôi một hướng giải quyết mới trong việc lựa chọn phương án thiết kế thi công một công trình xử lý chất thải chăn nuôi một cách hiệu quả nhất Khí biogas sau khi tạo thành được sử dụng rộng rãi thay thế cho nhiên liệu, chất đốt trong các hộ gia đình, chạy máy phát điện Hơn nữa, chất thải sau khi xử lý bằng công nghệ biogas đã được kiểm nghiệm và cho thấy đây là nguồn dinh dưỡng rất tốt cho cây trồng, vật nuôi và các loại động thực vật thủy sinh Ngược lại, nếu chưa được xử lý, chất thải chăn nuôi sẽ là nơi chứa nhiều mầm bệnh của các loại vi khuẩn gây bệnh, các chất hữu cơ, các chất chứa ni-tơ và axit photphoric…Chúng có thể gây ô nhiễm nguồn nước mặt lẫn nước ngầm Nước ô nhiễm chảy xuống sông, suối, ao hồ làm giàu các chất dinh dưỡng, gây ô nhiễm nguồn nước Khi phân hủy sẽ tạo ra mêtan và amôniắc, hidrosunfua là những chất có mùi hôi thối, đồng thời gây hiện tượng nóng lên của toàn cầu Vì thế, việc quản lý chất thải chăn nuôi bằng công nghệ biogas đã làm hạn chế đáng kể lượng phát thải, mang lại lợi ích thiết thực cho người sử dụng, và đặc biệt là mang lại một nguồn lợi ích không nhỏ cho người chăn nuôi

Vì vậy, việc thiết kế một hệ thống biogas quy mô gia đình sao cho nó hoạt động có hiệu quả, phục vụ cho sinh hoạt mang lại hiệu quả kinh tế và giảm các tác hại của chất thải trong chăn nuôi là vấn đề cấp thiết cần được giải quyết trong đề tài này

- Thiết kế một hệ thống tạo biogas cho quy mô hộ gia đình

1.1.2 Mục tiêu của đề tài

Giải quyết được các vấn đề về môi trường Công suất của hệ thống biogas này là 10m3

1.1.3 Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan về công nghệ biogas, các mô hình biogas - Công nghệ biogas dùng hầm biogas composite hiện nay

- Tính toán thiết kế một hệ thống biogas hoàn chỉnh cho hộ gia đình công suất 10m3

- Dự đoán khả năng làm việc và hiệu quả khi đưa vào thực tế

1.1.4 Phương pháp thực hiện đề tài

- Phương pháp thu thập, tổng hợp thông tin từ sách vở, tài liệu, báo chí - Phương pháp khảo sát tình hình dựa trên thực tế

- Phương pháp phân tích, lựa chọn tính toán

1.1.5 Ý nghĩa của đề tài

- Giảm thiểu các vấn đề về ô nhiễm môi trường đất, nước, không khí, giảm hiệu ứng nhà kính

Ý nghĩa khoa học

Khí Biogas là khí thiên nhiên được sản xuất khá rộng rải ở nước ta hiện nay, đặc biệt ở vùng nông thôn vì vậy việc sử dụng nhiên liệu khí Biogas để phục vụ nhu cầu sử dụng của các hộ gia đình sẽ làm giảm mức độ phát thải khí CO2, NOx, HC, CO góp phần thực hiện các công ước quốc tế về môi trường mà Việt Nam đã cam kết tham gia

Tìm ra một giải pháp cho vấn đề sử dụng nguồn nhiên liệu Biogas mà hiện nay chúng ta đang lãng phí, tránh gây khó khăn cho việc cất giữ loại nhiên liệu này

Đưa ra các đề xuất khác mang lại hiệu quả cao trong xử lý chất thải trong chăn nuôi, sinh hoạt…

1.2 Một số ưu điểm của nhiên liêu Biogas

1.2.1 Về mặt môi trường

 Giảm lượng khí phát thải CO2, do đó giảm được lượng khí thải là nguyên nhân chính gây ra hiệu ứng nhà kính, tránh được các thảm họa về môi trường  Không có hoặc chứa rất ít các hợp chất của lưu huỳnh (<0,001% so với đến

0,2% trong dầu Diesel)

 Không chứa hydrocacbon thơm nên không gây ung thư

 Có khả năng tự phân huỷ và không độc (phân huỷ nhanh hơn Diesel 4 lần, phân huỷ từ 85 - 88% trong nước sau 28 ngày)

 Giảm ô nhiễm môi trường nước và đất  Giảm sự tiêu dùng các sản phẩm dầu mỏ

 Đa dạng hoá nền nông nghiệp, tăng thu nhập ở vùng miền nông thôn

 Hạn chế nhập khẩu nhiên liệu chế biến từ dầu mỏ, góp phần tiết kiệm cho quốc gia một khoảng ngoại tệ

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ BIOGAS

2.1.Tìm hiểu chung về Biogas

Khái niệm: Biogas hay còn gọi là công nghệ sản xuất khí sinh học, là 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, biogas là chữ viết tắt của biological gas, nó là hỗn hợp khí sinh ra từ quá trình phân hủy chất hữu cơ dưới tác động của vi sinh vật trong môi trường yếm khí

Thành phần Biogas : CH4, CO2, N2 ,H2, H2S …, trong đó CH4, CO2 là chủ yếu:  CH4: 60 – 70 %

 CO2: 30 – 40 %

 Và một lượng nhỏ khí N2, H2, CO

2.2 Sơ đồ sản xuất Biogas

biogas

4

2 1

Nguyên liệu

Phân tươi từ chuồng trại sau khi thu gom được đưa vào bể lắng cát (1) để lắng đá, cát rồi qua ống dẫn phân vào hầm biogas (2) Ở hầm biogas xảy ra quá trình lên men tạo khí sinh học như sau:

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý tạo Biogas (Nguồn [12])

Sau khi lên men hỗn hợp khí Biogas được dẫn vào hệ thống lọc khí H2S (3) và làm sạch khí CO2 (4), hỗn hợp được lọc chứa phần trăm H2S và CO2 nhỏ, thành phần trăm CH4 chiếm khoảng 80%- 97,9% Sau đó hỗn hợp theo đuờng ống dẫn gas và đưa vào sử dụng Các chất cặn bã sau khi phân huỷ được dẫn ra bể chứa chất thải (5), được tưới cho cây trồng làm phân bón

2.3 Tính năng của Biogas

2.3.1 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, thời gian lên men (là thời gian chất thải bị vi sinh vật phân huỷ) Biogas sinh ra từ quá trình phân huỷ kỵ 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 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

F (=-164.8 0C)

-69.9 0F (-38.83 0C) Khối lượng riêng 0.66 kg/m3 1.82 kg/m3

Nhiệt độ nguy hiểm 116.0

F (=64.44 0C)

88.0 0F (=48.89 0C) Áp suất nguy hiểm 45.8 at 72.97at

Nhiệt dung Cp (1atm) 6.962.10

J/ kg-0C

Tỷ lệ Cp/Cv 1.307 1.303 Nhiệt cháy 55.403 J/kg

Giới hạn cháy 5-15 % Thể tích Tỷ lệ cháy hoàn toàn trong không

khí

0.0947 Thể tích 0.0581 KLượng

2.4 Tình hình sử dụng biogas trong hộ gia đình

Hiện nay, khí nhiên liệu thay thế đã trở thành đề tài được nhiều nhà khoa học quan tâm lựa chọn nghiên cứu nhằm tăng khả năng thay thế nhiên liệu hóa thạch, khí biogas là một trong những loại nhiên liệu được nghiên cứu ở trên Do khí biogas trong hộ gia đình thường được sử dụng để:

 Nhiên liệu để đun nấu  Dùng để thắp sáng  Chạy máy phát điện

 Hoạt động các thiết bị điện khác

2.5 Cơ sở lý thuyết của công nghệ Biogas

2.5.1 Cơ sở lý thuyết

Dựa vào các vi khuẩn yếm khí để lên men phân huỷ kỵ khí các chất hữu cơ sinh ra một hỗn hợp khí có thể cháy được: H2, H2S, NH3, CH4, C2H2,… trong đó CH4 là sản phẩm khí chủ yếu (nên còn gọi là quá trình lên men tạo Metan

Sơ đồ tổng quát của quá trình lên men Methan

Hình 2.3: Sơ đồ quá trình lên mem Methane ( Nguồn [12] )

Quá trình lên men Metan chia làm 3 giai đoạn:

Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 Giai đoạn 3

Tác dụng của vi khuẩn Vi khuẩn Vi khuẩn sinh khí Lên men và thủy phân acetogenic Metan  Giai đoạn I:

Chất thải hữu cơ được sử dụng làm nguyên liệu lên men metan gồm các thành phần hydratcacbon (chủ yếu là xenluloza, tinh bột), protein, lipit, ở giai đoạn này các thành phần trên bị phân hủy dưới tác động của men hydrolaza do vi sinh vật tiết ra để hình thành các hợp chất đơn giản hơn có thể tan trong nước (các đường đơn, các peptit, glyxerin.axit béo, axit amin,…v.v) Các vi sinh vật tham gia vào giai đoạn này là clostridium thermocellum chuyển xenluloza thành rượu etylic, hydro và CO2 chuyển xenluboza thành axit lactic, axit axetic

Chất hữu cơ phức tạp ( protein, A Amin, lipit)

Closdium, bipiclobacterium, Vi khuẩn bacillus gram âm không sinh bào tử , staphy locu

Chất hữu cơ đơn giản

( Albumoz pepit Glyxerin, A béo)

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

Nhờ vào vi khuẩn acetogenic bacteria (vi khuẩn tổng hợp acetat), các hydrates carbon  acid có phân tử lượng thấp (C2H5COOH, C3H7COOH, CH3COOH …) và pH môi trường ở dưới 5 nên gây thối

 Giai đoạn III : hình thành khí Metan

Đây là giai đoạn quan trọng nhất vì nó là giai đoạn hình thành khí metan Dưới tác động của các vi khuẩn các axit hữu cơ và các hợp chất khác chuyển thành khí metan, cacbonic, oxy, nitơ hydro sunfua… Các vi sinh vật tham gia vào quá trình này là metanobacterium thermoaceticum, methanosarcina barkeri… Sự tạo thành metan có thể diễn ra theo hai cách sau

CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O CH3COOH → CH4 + CO2

Các axit hữu cơ có phân tử lượng cao sẽ bị phân hủy và hình thành CH4 theo chuỗi phản ứng sau

R-COOH → R1COOH → CH3COOH → CH4 + CO2

Các vi sinh vật ưa ẩm hoạt động ở nhiệt độ tối ưu là 30 – 450C nhiệt độ tối ưu đối với các vi sinh vật chiệu nhiệt 50 – 550C pH thích hợp là 6,5- 8

2.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men

2.5.2.1 Môi trường kỵ khí

Quá trình lên men tạo khí sinh học tạo ra khí gas có thành phần chủ yếu là CH4 là do những vi khuẩn kỵ khí bắt buộc tham gia, trong đó các vi khuẩn sinh mê-tan là những vi khuẩn quan trọng nhất, chúng là những vi khuẩn kỵ khí bắt buộc Sự có mặt của ô-xy sẽ kìm hãm hoặc tiêu diệt các vi khuẩn này, vì vậy phải đảm bảo điều kiện kỵ khí tuyệt đối của môi trường lên men Sự có mặt của oxy hoà tan trong dịch lên men là một yếu tố không có lợi cho quá trình phân giải kỵ khí

2.5.2.2 Nhiệt độ

Hoạt động của vi khuẩn sinh mêtan chịu ảnh hưởng rất lớn của nhiệt độ Trong điều kiện vận hành đơn giản, nhiệt độ lý tưởng vào khoảng 350C Sản lượng khí giảm rõ rệt khi nhiệt độ môi trường giảm Dưới 100C quá trình sinh mê-tan hầu như ngừng hẳn

Đồ thị ở hình 3.1 cho thấy ảnh hưởng của nhiệt độ đối với sản lượng khí với thời gian phân giải 120 ngày với các loại phân Các vi khuẩn sinh mêtan không chịu được sự thăng giáng nhiệt độ quá nhiều trong ngày Điều này sẽ làm giảm sản lượng khí Vì vậy vào mùa đông cần phải giữ ấm cho thiết bị, thậm chí đối với những vùng lạnh cần phải đảm bảo cách nhiệt tốt cho quá trình lên men Đôi khi ở những quá trình lên men nhanh người ta phải gia nhiệt cho dịch lên men để giảm thời gian lưu trong các thiết bị lên men

Hình 2.4: Ảnh hưởng của nhiệt độ với sản lượng khí (Nguồn [10] )

2.5.2.3 Độ pH

Độ pH tối ưu cho hoạt động của vi khuẩn là 6,8 - 7,5 tương ứng với môi trường hơi kiềm Tuy nhiên, vi khuẩn sinh mê-tan vẫn có thể hoạt động được trong giới hạn độ pH từ 6,5 - 8,5

2.5.2.4 Đặc tính của nguyên liệu

Hàm lượng chất khô

Hàm lượng chất khô thường được biểu thị là phần trăm

Quá trình phân giải sinh khí mê-tan xảy ra thuận lợi nhất khi nguyên liệu có hàm lượng chất khô tối ưu vào khoảng 7 - 9% đối với chất thải động vật Đối với bèo tây hàm lượng này là 4 - 5%, rơm rạ là 5 - 8% Nguyên liệu ban đầu thường có hàm lượng chất khô cao hơn giá trị tối ưu nên khi nạp vào thiết bị khí sinh học cần phải pha thêm nước Tỷ lệ pha loãng thích hợp là 1 - 3 lít nước cho 1 kg chất thải tươi

Tỷ lệ các-bon và ni-tơ của nguyên liệu

Các chất hữu cơ được cấu tạo bởi nhiều nguyên tố hoá học trong đó chủ yếu là các-bon C), hy-đrô (H), ni-tơ (N), phốt-pho (P) và lưu huỳnh (S) Tỷ lệ giữa lượng các-bon và ni-tơ (C/N) có trong thành phần nguyên liệu là một chỉ tiêu để đánh giá khả năng phân giải của nó Vi khuẩn kỵ khí tiêu thụ các-bon nhiều hơn ni-tơ khoảng 30 lần Vì vậy, tỷ lệ C/N của nguyên liệu bằng 30/1 là tối ưu Tỷ lệ này quá cao thì quá trình phân giải xảy ra chậm Ngược lại, tỷ lệ này quá thấp thì quá trình phân giải ngừng trệ vì vi khuẩn lên men tạo nhiều a-mô-ni-ắc là một độc tố đối với vi khuẩn ở nồng độ cao

2.5.2.5 Thời gian lưu

Thời gian lưu là thời gian nguyên liệu nằm trong thiết bị phân giải Đây là khoảng thời gian dịch phân giải sản sinh ra khí sinh học

Đối với chế độ nạp liên tục, nguyên liệu được bổ sung hàng ngày Khi một lượng nguyên liệu mới nạp vào, nó sẽ chiếm chỗ của nguyên liệu cũ và đẩy dần nguyên liệu cũ về phía lối ra Thời gian lưu chính bằng thời gian nguyên liệu chảy qua thiết bị từ lối vào tới lối ra

2.6 Nguyên liệu

Nguyên liệu để làm biogas rất đa dạng và phong phú, ở các vùng nông thôn nguyên liệu gồm tất cả các rác thải nông nghiệp có khả năng phân hủy sinh học như: rơm, cỏ, lá cây, trái cây, các loại rau quả hỏng, phân gia súc, gia cầm các loại Tùy

thuộc vào mỗi loại nguyên liệu khác nhau mà lượng khí sinh ra nhiều hay ít khác nhau Trong quá trình hình thành khí, có một thông số quan trọng cần được kiểm soát, đó là tỉ số Cacbon/Nito của nguyên liệu phải nằm trong khoản 30

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

 Phân gia súc : là nguồn nguyên liệu chủ yếu hiện nay trong các hầm Biogas của nước ta

Bảng 2.2: Đặc tính và lượng khí sinh ra của một số nguyên liệu ( Nguồn [8] )

Nguyên liệu Hàm lượng chất khô (%)

Lượng thải hàng ngày(kg)

Tỉ lệ C/N Sản lượng khí hàng ngày (l/kg)

Tổng lượng khí cho l/ngày tính trung bình/con Phân bò

Phân trâu Phân lợn Phân gia cầm Phân người Bèo tây tươi

Rơm rạ khô

18-20 16-18 24-33 25-50 20-34 4-6 80-85

15-20 18-25 1,2-4 0,02-0.05 0,18-0,34

24-25 24-25 12-13 5-15 2,9-10

12-25 48-117

15-32 15-32 40-60 50-60 60-70 0,3-0,5 1,5-2,0

470 470 130 1,925

16.9

Bảng 2.3: Ảnh hưởng của các loại phân đến sản lượng và thành phần của khí thu được ( Nguồn [8] )

Nguyên liệu Sản lượng khí m3/kg phân khô

1,11 0,56 0,31 1,02 0,38

57 69 60 68

10 9 30 20 21

2.7 Xử lý nguyên liệu

Nguyên liệu dùng để lên men tạo khí sinh học rất là phong phú, đa dạng, trước khi sử dụng cần phải chọn lọc kỹ, xử lý sao cho phù hợp với yêu cầu, chất lượng sau:

 Giàu cellulose  Ít Ligin

 NH4+ ban đầu khoảng 2000mg/l  Tỷ lệ carbon / nitơ : 20/30

 Nguyên liệu phải được hoà tan trong nước

2.8 Các loại mô hình Biogas

Các loại hầm Biogas hiện nay được chia ra thành hai loại chính theo cách thức nạp nguyên liệu, đó là kiểu nạp nguyên liệu theo kiểu bán liên tục và nạp theo mẻ

2.8.1 Loại bán liên tục

2.8.1.1 Loại hầm biogas sinh khí kiểu vòm cố định

Hình 2.5: Hầm biogas kiểu vòm cố định ( Nguồn [6] ) Loại này được cấu tạo gồm:

Bể kín khí xây dựng bằng vật liệu gạch đá, betong, đỉnh hầm và đáy có dạng bán cầu, được làm kín, không cho thấm thoát khí ra ngoài bằng cách trát một số lớp vữa trên bề mặt phía trong của hầm Hầm này thường được cung cấp nguyên liệu theo kiểu bán liên tục mỗi ngày một lần, khí sinh ra tăng lên, được tích lại ở phần vòm phía trên Áp suất khí lên vòm có thể đạt tới 1-1,5 m áp lực nước Các chất liệu cung cấp cho các loại hầm sinh khí này thường là các loại phân, và chất thải nông nghiệp Sản lượng khí sinh ra vào khoản 0,1-0,2 dung tích trên một khối lượng dung tích tương đương trong ngày, thời gian ủ trong hầm là 60 ngày ở nhiệt độ 250C

 Ưu điểm: Không có bộ phận nào bằng thép, chủ yếu bằng xi măng Do đó giá thành xây dựng hầm biogas này tương đối rẻ, xây dựng thiết kế kỹ thuật tương đối đơn giản và dễ làm

 Nhược điểm:

- Khí thẩm thấu qua vòm thường là vấn đề chính đáng lo ngại của hầm sinh khí loại này

- Loại này thường dễ bị nứt sau một thời gian sử dụng nếu như xây không đạt yêu cầu

 Ưu điểm

- Độ chịu lực tốt, bền, sử dụng được lâu - Ổn định được áp suất trong hầm

 Nhược điểm: nắp vòm thường làm bằng thép có độ bền trung bình Giá thành cao, việc chống ăn mòn khó khăn do nắp phải di động

2.8.1.3 Hầm sinh khí kiểu túi

Hầm kiểu này bao gồm một ống trụ bằng chất dẻo tổng hơp hoặc bằng một túi chất dẻo mềm là phụ phẩm của các nhà máy sản xuất nhôm, kèm theo túi chất dẻo này lắp thêm các ống nạp chất liệu vào túi và ống tháo bã phân ra Lắp một ống lấy khí từ túi ra ngoài Ống nạp chất liệu được đặt sao cho áp lực trong túi duy trì thấp hơn 40 cm áp lực nước Khí sinh ta tập trung trong túi dưới dạng dưới một màng chất dẻo co dãn tốt theo áp suất lớn hay nhỏ Một hầm sinh khí kiểu túi với dung tích 50m3 và cân nậng 270 kg và dễ dàng bố trí vào trong một rãnh nông Nguyên liệu được nạp vào trong túi theo kiểu bán liên tục với một khối lượng bằng với lượng bã được lấy ra từ cửa tháo

Hình 2.7: Hầm biogas kiểu túi ( Nguồn [2] )

Thời gian để ủ chất liệu thay đổi tùy theo loại phân động vật từ 60 ngày ở 15-20

0C đến 30 ngày ở nhiệt độ 30-350C

Hầm kiểu túi có thành tường đặc biệt mỏng, nó có thể nhờ nhiệt mặt trời chiếu trực tiếp để tăng nhiệt Sản lượng khí từ các túi có thể đạt tới 0,23-0,61 dung tích khí so với dung tích chất liệu nạp vào hàng ngày và nó tùy thuộc vào các điều kiện địa phương, sự dồi dào có sẵn các nguyên liệu nạp Nếu như chất dẻo hoặc màn PVC

không kiếm được ta có thể làm bằng betong với một màng tích khí mềm dẻo đặt mềm dẻo đặt ở trên đỉnh bê chứa betong

 Ưu điểm

- Do là dùng chất liệu bằng chất dẻo nên việc lắp đặt hệ thống và vận hành không mấy khó khăn

- Chi phí cũng thấp hơn hẳn so với những kiểu hầm khí loại khác

- Do thành mỏng nên có thể tăng năng suất khi được mặt trời chiếu sáng, tăng hiệu suất phân hủy

2.8.1.4 Hầm sinh khí kiểu nước ngoài

Hình 2.8: Hầm biogas kiểu nuớc ngoài( Nguồn [15] )

Loại hầm khí kiểu này ít gặp ở Việt Nam do yêu cầu kỹ thuật phức tạp, loại hầm kiểu này có thêm hệ thống sinh nhiệt bộ phận này giúp cho hầm có thể đạt được năng suất phân hủy khí cao nhất Một nguyên nhân nữa mà khiến cho các loại này ít ở Việt Nam là chi phí xây dựng khá cao

2.8.2 Loại hầm biogas theo kiểu nạp nguyên liệu theo từng mẻ

Hình 2.9: Hầm biogas kiểu nạp nguyên liệu từng mẻ( Nguồn [6] )

Loại này thường làm đối với các nới có nguồn nguyên liệu lớn, dồi dào và thường tập trung hầm chủ yếu là loại hầm dùng túi ủ loại lớn và thường đào hầm ủ nguyên liệu thường là rác thải của các nhà máy tinh bột, hay là các hợp tác xã dùng để xử lý một lượng lớn rác thải nông nghiêp, nguyên liệu được nạp vào một lần và đậy kín nắp lại, hầm sinh khí liên tục trong khoản vài tháng tùy thuộc vào lượng nguyên liệu đưa vào, sau một thời gian nguyên liệu phân hủy hết thì sẽ được thay mới bằng một lượng nguyên liệu mới Loại này không thích hợp cho các hộ gia đình có quy mô nhỏ lẻ, chỉ dùng cho các khu vực có một nguồn nguyên liệu dồi dào Chi phí để lắp đặt cũng tương đối rẻ so với lợi nhuận mà nó mang lại Thường thì các hầm không xây mà đào trên mặt đất cho nên loại này yêu cầu một diện tích khá lớn và phải xa khu dân cư để tránh các vấn đềxảy ra ngoài ý muốn Nhưng ngược lại, hầm loại này lại có thể sử lý được một lượng rác vô cùng lớn, lượng khí hầm này sinh ra rất mạnh

2.8.3 Hầm biogas composite

Là loại hầm được làm bằng vật liệu composite có những ưu điểm vượt trội so với các loại hầm truyền thống

Hình 2.10: Hầm biogas composite( Nguồn [19] )

Bể Biogas Composite hình cầu có nhiều loại bể có đường kính khác nhau, đa dạng về màu sắc tuy thuộc vào nhu cầu của người sử dụng :

 Hầm bể Biogas Composite có đường kính 1,7m: Loại bể này đang thay hầm bể

phốt (dùng cho nhà vệ sinh mà người sử dụng vẫn lấy gas)

 Hầm bể Biogas Composite có đường kính 1,9m: Loại bể này phù hợp với mức độ chăn nuôi từ 1-> 20 con lợn + nhà vệ sinh gia đình

 Hầm bể Biogas Composite có đường kính 2,25m: Loại bể này phù hợp với mức độ chăn nuôi từ 5-> 50 con lợn + nhà vệ sinh gia đình

 Hầm bể Biogas Composite có đường kính 2,4m: Loại bể này phù hợp với mức độ chăn nuôi từ 15-> 100 con lợn + nhà vệ sinh gia đình

 Hầm bể Biogas Composite có đường kính 2,7m: Loại bể này phù hợp với mức độ chăn nuôi từ 50 -> 300 con lợn + nhà vệ sinh gia đình

 Từ những ưu, nhược điểm của các loại hầm khi thiềt kế hệ thống biogas gia đình ta chọn loại hầm bể biogas composite vì:

 Ưu điểm:

- Hầm được làm bằng nguyên liệu composite nên có độ cứng, độ bền cao, có khả năng chịu nhiệt và sự ăn mòn của vật liệu trong điều kiện khắc nghiệt của môi trường Ngoài ra, vật liệu composite nhẹ nên dễ dàng lắp đặt, sử dụng

Dưới đây thể hiện rõ ưu điểm của vật liệu composite dùng làm hầm bể biogas mà Trung Tâm Kỹ Thuật Tiêu Chuẩn Đo Lường Chất Lượng 1 đã kiểm định Số 09/0349/TN3 - CS ngày 15/04/2009

Bảng 2.4: Thông số kĩ thuật vật liệu composite

STT Tên Chỉ Tiêu Đơn Vị Phương Pháp Thử Kết Quả

1 Độ bền kéo đứt N / cm2ISO 527: 1997 10421 2 Độ bền uốn N / mm2ISO 178: 2000 192 3 Độ bền va đập KJ / m2ISO 179: 2001 90,11

- Nhanh chóng thu hồi vốn đầu tư ban đầu Việc lắp đặt rất đơn giản, chỉ từ 2 đến 3 giờ là có thể đưa vào sử dụng, lên gas trong 7 ngày Lượng nước xử lý không quá 1.0 - 1.2 m3/ngày đêm

- Hiệu suất sinh khí gấp 2-2,5 lần so với bể xây gạch cùng thể tích, áp suất khí gas cho từ 12 KPa - 25 KPa Mức độ sinh khí nhanh, sản lượng khí cao, ổn định trong mọi điều kiện thời tiết Trong khi đó Biogas xây bằng gạch không kiểm tra được các lỗ châm kim, dễ bị lún, nứt và làm dò khí ra ngoài không khắc phục được dùng một thời gian do nhiệt độ nóng lên bị axít ăn mòn bề mặt bê tông làm dò khí ra ngoài (chính hiện tượng dò khí làm cho áp suất trong bình giảm xuống dẫn đến ít gas và không đẩy được bả ra ngoài)

- Có khả năng chống kết váng, chuyển hoá lên men trong điều kiện yếm khí cao, nhiệt độ ổn định từ 280C – 400C, luôn duy trì được độ pH = 7.2 - 7.5

- Đảm bảo vệ sinh tuyệt đối do tính năng bể sẽ tự động phá váng 100% trên cơ sở tự cân bằng áp suất và sự phân ly về khối lượng riêng, t động đẩy được bã ra ngoài mà không cần phải lau dọn bể như bể xây bằng gạch, áp suất gas nhiều gấp 3 lần bể xây có cùng thể tích, tự điều áp khí ga và tự động xả khí không cần van an toàn

 Nhược điểm:

Chi phí đầu tư ban đầu cao hơn so với các loại hầm xây truyền thống

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG BIOGAS GIA ĐÌNH

Hình 3.1: Sơ đồ hoạt động bể biogas composite ( Nguồn [17] )

3.1 Hầm biogas

3.1.1 Lựa chọn hầm kích thước hầm biogas

Hầm biogas với công suất 10m3 phục vụ sinh hoạt hộ gia đình như: nấu nướng, chạy máy phát điện, điện thắp sáng và các thiết bị điện khác…Dựa vào đặc tính của nguyên liệu:

Xem xét số lượng gia cầm vào nhu cầu sử dụng khí :

Bảng 3.1: Thể tích hầm composite theo số luợng vật nuôi ( Nguồn [10] )

Kích thước các bộ phận hầm biogas composite đường kính 2,4 m

Cấu trúc hầm có dạng hình cầu vì với dạng cầu thì áp lực của khí gas sinh ra phân bố đều trên toàn bộ bề mặt hầm đảm bảo độ kín và an toàn

Với hầm composite 10m3 lượng khí sinh ra khoảng 4-5 m3 khí biogas

Thể tích (m3) Đường kính (m) 5 1,90 8 2,25 10 2,40

3.1.2 Cấu tạo và chức năng từng bộ phận

Kiểu dáng hình học và kích thước:

Hình 3.2: Kiểu dáng hình học hầm biogas composite(Nguồn [19] )

 Kiểu dáng: Hình cầu và có mầu trắng của chất liệu tinh khiết và được chia thành 4 phần:

Hầm ủ (vị trí 1): Là bán cầu phần nằm dưới của hầm bể, chứa dịch lên men,

hầm ủ được thiết kế theo kiểu lên men liên tục dạng hỗn hợp

Bầu khí (Vị trí 2): Là một nửa bán cầu (có độ lõm ở hai cột điều áp) nằm ở phía trên

hầm ủ Phần này có tác dụng trữ khí sinh gas Hai phần này gắn liền nhau có dạng tròn xoay

Hai cột điều áp (Vị trí 3 và 4) Hai cột điều áp có dạng hình trụ nằm theo phương

thẳng đứng ở hai bên Bầu khí và thông xuống Hầu ủ bằng 2 lỗ hình elíp, tạo nên hình chóp ngược Hai cột điều áp này có tác dụng đẩy khí tạo áp lực sinh gas, điều hoà áp suất, nạp phân và đẩy bã ra

Hầm sinh khí: được thiết kế theo kiểu lên men liên tục có kiểu dáng hỗn hợp chỏm

cầu - Trụ tròn xoay - Bán cầu (có kích thước như hình vẽ) Cửa vào và cửa ra:

+ Cửa vào: được nối liền giữa Cột điều áp (đầu vào) và hố ga của chuồng gia súc, nhà vệ sinh bằng ống nhựa PVC φ 110 Phía trên cửa vào được đậy kín bằng nắp bêtông + Cửa ra: Cột điều áp (Lối ra) được nối thẳng ra hố gas bằng ống nhựa PVC φ 110 Cửa vào và cửa ra đều là cột tạo áp lực theo phương thẳng đúng

- Ống dẫn khí được dùng là loại ống mềm dùng bằng ống nhựa PE φ 20 màu đen, là loại nhựa chịu được ánh nắng mặt trời, có độ bền cao, được bắt chếch theo phương nằm ngang 45o để trách bị tắc Ống dẫn khí đi ngoài trời được để trên không để trách

hơi nước hấp thụ

3.1.3 Tính toán các phần của hầm biogas composite

Kích thước hầm biogas composite 2.4m

Hình 3.3: Kích thước các bộ phận hầm biogas composite

3.1.3.1 Hầm ủ

Là phần nửa bán cầu phía dưới chứa dịch lên men

Đường kính 2,4 m R=1,2 m

Bán cầu phía trên có tác dụng trữ khí gas sinh ra

Cửa nạp có đường kính 0,77 m, ta giả sử phần khuyết của bầu sinh khí là nửa hình trụ có bán kính 0,17m , chiều cao là 1.57 m

0.17 1,57 0,143

Cửa tháo bã có đường kính 0,91m, ta giả sử phần khuyến của bầu sinh khí chỗ

cửa tháo bã là nửa hình trụ có bán kính 0,25m, chiều cao là 1,57m

3.1.3.5 Tổng thể tích của hầm composite 2,4m

312 CVCR 3, 92 3, 5 1, 42 1, 710, 54

3.2.1 Tính toán thiết kế thiết bị hấp phụ H2S

3.2.1.1 Cân bằng vật chất cho quá trình hấp phụ

Các kí hiệu:

Gv: Lưu lượng biogas vào tháp hấp phụ, kg/h

Gr: Lưu lượng biogas sau loc H2S ra khỏi tháp, kg/h

GH2S: Lượng H2S bị hấp phụ trong tháp, kg/h GFe: Khối lượng phoi sắt cần dùng, kg

ρv: Khối lượng riêng của hỗn hợp đầu vào

ρr: Khối lượng riêng hỗn hợp khí đầu ra

ρtb: Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp khí ở đầu vào và đầu ra của tháp

Cyv: Nồng độ đầu vào, kg H2S/m3 biogas Cyr: Nồng độ pha đầu ra, kg H2S/m3 biogas

Cyv*: Nồng độ pha hơi cân bằng ở đầu vào, kg H2S/m3 biogas Cyr*: Nồng độ pha hơi cân bằng ở đầu ra, kg H2S/m3 biogas Xr: Nồng độ biogas đầu ra, phần trăm khối lượng

Xv: Nồng độ biogas đầu vào, phần trăm khối lượng

Bảng 3.3: Thành phần khí biogas vào và ra khỏi tháp hấp phụ H2S

Cấu tử Trước lọc (%V) Sau lọc (% V) CH4 69,33 73,243

H2S 5,32 0,270