13 2.1.7.2. Ứng dụng của biogas Trong nƣớc Khí biogas hiện nay chủ yếu được dùng để thay thế chất đốt. Nguồn biogas nhận được từ các hầm khí sinh học đã cung cấp năng lượng phục vụ việc đun nấu. Do đó cũng hạn chế phần nào việc chặt phá rừng làm chất đốt. Bùi Văn Ga và cộng tác viên, trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng đã nghiên cứu thành công ứng dụng biogas làm nhiên liệu thay thế xăng cho xe gắn. Các nhà khoa học ở Phân Viện Kỹ Thuật Công Binh (Bộ Quốc Phòng) phối hợp với trung tâm Nhiệt - Thuỷ - Khí - Động học trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã thực hiện thành công chương trình sử dụng khí sinh học chạy máy phát điện công suất nhỏ phục vụ cho các hộ gia đình, trang trại chăn nuôi và làng nghề. Hiện nay, một số địa phương như: Đồng Nai, Củ Chi, Hóc Môn… đã ứng dụng thành công việc sử dụng biogas làm nhiên liệu cho các động cơ nhỏ, các máy công tác thông thường như: máy bơm nước, máy phát điện… vào sản xuất cũng như trong bảo quản các nông sản. Ngoài nƣớc Việc nghiên cứu và ứng dụng biogas đã xuất hiện từ lâu. Phát triển mạnh nhất là ở các nước Trung Quốc, Ấn Độ, Thụy Điển, Đức, Đan Mạch … Ở Trung Quốc, tổng sản lượng biogas của cả nước là 2000 triệu m 3 /năm. Biogas chủ yếu được sử dụng vào mục đích đun nấu, thắp sáng hay chạy động cơ nổ phát điện. Cho đến năm 1979, Trung Quốc đã có 301 trạm phát điện nhỏ sử dụng biogas. Ở Ấn Độ, chương trình năng lượng và nước sạch nông thôn đã được triển khai từ những năm 90 của thế kỷ trước. Hàng năm có khoảng 200000 hộ gia đình Ấn Độ chuyển từ sử dụng năng lượng củi đốt sang sử dụng biogas. Cho đến nay, Ấn Độ đã có đến hơn 2000000 trạm biogas. Ở Châu Âu, người ta đã chế tạo các loại động cơ chạy bằng biogas sản xuất chủ yếu từ các nhà máy xử lý chất thải, các loại động cơ hai kỳ (n = 400 - 1250 vòng/phút), công suất 42 HP, các loại động cơ tốc độ cao, đa xylanh của hãng Cantebury có thể cho công suất lên đến 105 KWh ở Anh, Đức…Các giải pháp động cơ lưỡng nhiên liệu (Biogas - Diesel) cũng đã được nghiên cứu và ứng dụng ở Đan Mạch, Đức, Thụy Điển [5]. 14 2.1.8. Một số hầm ủ yếm khí tạo biogas hiện nay 2.1.8.1. Dạng hầm vòm Hầm ủ yếm khí dạng vòm có thể là hình vuông hoặc hình tròn được đặt trên hay dưới mặt đất. Hầm ủ dạng này cho gas tương đối thấp, không thể bố trí tay quậy, khó xúc rửa, tốn không gian nhưng giá đầu tư ít, không thể di dời khi cần thiết. 2.1.8.2. Dạng hầm giếng có khoang chứa gas nổi Hầm ủ dạng này thường được xây bằng gạch, các ống vào và ra được xây thẳng để chống nghẹt. Hầm vận hành liên tục. Hầm có cấu tạo khoang gas nổi nên dễ dàng tẩy rửa. Áp suất sinh gas không đổi và có thể xoay khoang gas để sấy. 2.1.8.3. Dạng hầm ủ túi dẻo Hầm ủ dạng này có ưu điểm dễ di chuyển khi cần thiết, áp suất gas không đổi, hoạt động liên tục, cho gas nhiều hơn các dạng hầm khác với cùng thể tích. Tuy nhiên, do vật liệu chế tạo là plastic nên dễ xì, vỡ không thể vớt váng bề mặt súc rữa và bố trí tay khuấy. 2.1.8.4. Hầm ủ dạng bê tông, composit Hầm ủ dạng này được phát triển dựa trên hầm ủ dạng túi dẻo. Vật liệu chế tạo hầm được thay thế bằng bê tông hoặc composit. Điều này làm tăng giá thành, tuy nhiên các vật liệu này đã khắc phục được rất nhiều nhược điểm của hầm ủ túi dẻo [2]. Ngoài 4 dạng hầm ủ trên còn có nhiều kiểu hầm ủ khác. Tuy nhiên, lượng khí sinh ra ở các dạng hầm này không cao và không phổ biến. 2.2. Lý thuyết cơ bản về động cơ đốt trong 2.2.1. Định nghĩa Động cơ nhiệt là thiết bị chuyển đổi hoá năng do đốt cháy nhiên liệu thành nhiệt năng và biến nhiệt năng này thành cơ năng. Động cơ nhiệt làm việc theo hai quá trình Đốt cháy nhiên liệu dạng đặc, lỏng hoặc khí để sinh nhiệt. Môi chất công tác thay đổi trạng thái để sinh công. Động cơ đốt trong là động cơ có hai quá trình trên xảy ra cùng một nơi, nhiệt năng đạt được bằng sự đốt cháy nhiên liệu bên trong động cơ. Nhiệt năng tích lũy trong khí cháy có nhiệt độ và áp suất cao đẩy piston đi xuống làm quay trục khuỷu của động cơ và truyền mômen ra ngoài cho các thiết bị công tác. Động cơ máy phát điện 15 sử dụng nhiên liệu khí biogas loại công suất 10 kVA được sử dụng trong quá trình khảo sát là một động cơ đốt trong bốn kỳ. 2.2.2. Khái niệm động cơ đốt trong bốn kỳ Là động cơ mà một chu kỳ hoàn hành trong 4 hành trình. Nói cách khác, piston phải chạy lên xuống 4 lần và trong 4 hành trình của piston chỉ có một hành trình sinh công. Trong mỗi chu kỳ của động cơ đốt trong xảy ra 4 quá trình liên tiếp nhau là kỳ nạp, kỳ nén, kỳ nổ và kỳ xả. Kỳ nạp: Piston đi từ điểm chết trên đến điểm chết dưới; xupap hút mở cho phép hút môi chất vào trong xylanh. Kỳ nén: Cả hai xupap hút và xả đều đóng kín, piston đi từ điểm chết dưới đến điểm chết trên. Môi chất bên trong xylanh bị nén; dẫn đến áp suất, nhiệt độ trong xylanh tăng nhanh. Kỳ nổ: Cả hai xupap vẫn đóng kín. Khi piston ở gần điểm chết trên môi chất bên trong xylanh bị đốt cháy, sinh công và toả nhiệt, áp suất và nhiệt độ tăng vọt lên rất cao đẩy piston đi xuống sinh ra công làm quay trục khuỷu. Ở động cơ 4 kỳ thì kỳ nổ là kỳ sinh công duy nhất. Kỳ xả: Xupap xả mở, piston đi từ điểm chết dưới đến điểm chết trên đẩy toàn bộ lượng khí đã cháy ra ngoài xylanh. Kết thúc một chu trình của động cơ. Sau đó piston tiếp tục đi xuống lặp lại kỳ hút. Cứ như vậy động cơ vận hành liên tục [4]. Kỳ nạp Kỳ nén Kỳ nổ Kỳ xả Hình 2.3. Các kỳ của động cơ đốt trong 4 kỳ 16 2.2.3. Cấu tạo động cơ đốt trong 2.2.3.1. Bộ phận phát lực Có nhiệm vụ biến áp lực của khí thể cháy trong xylanh thành mômen quay của trục khuỷu động cơ để dẫn động máy công tác. Nhóm chi tiết phát lực bao gồm: - Nhóm piston: Chuyển động tịnh tiến trong xylanh, chịu tác dụng trực tiếp của lực khí thể trong xylanh và truyền lực tác động này lên thanh truyền, trục khuỷu và bánh đà để mang ra ngoài. Nhóm piston bao gồm: + Piston: Là chi tiết chịu lực tác dụng trực tiếp áp lực khí thể trong buồng cháy và truyền lực tác dụng đó qua thanh truyền và trục khuỷu. Cùng với secmăng, xylanh và nắp máy, piston tạo thành buồng khí chứa môi chất công tác. + Secmăng: Có nhiệm vụ bao kín buồng xylanh ngăn dầu bôi trơn vào buồng xylanh trong quá trình động cơ hoạt động và bơm dầu lên bôi trơn thành xylanh. + Chốt piston: Là chi tiết nối piston với thanh truyền và truyền lực tác dụng của khí thể từ piston xuống thanh truyền. Chốt piston thường có cấu tạo hình trụ rỗng và được lắp lỏng với bệ chốt piston và đầu nhỏ thanh truyền. + Thanh truyền: Là chi tiết trung gian, trong đó đầu nhỏ lắp ghép với piston, đầu lớn liên kết với chốt khuỷu. Thanh truyền có nhiệm vụ truyền lực tác dụng từ piston đến trục khuỷu. - Nhóm trục khuỷu - bánh đà + Trục khuỷu: Có nhiệm vụ nhận lực tác dụng từ thanh truyền, biến thành môment quay để kéo máy công tác. + Bánh đà: Có nhiệm vụ tích trữ công dư và phát triển năng lượng giúp cho trục khuỷu quay đều, tạo sự êm dịu cho động cơ. 2.2.3.2. Bộ phận đánh lửa - Bộ chia điện: Nhiệm vụ của bộ chia điện là phân điện áp đến từng bugi theo đúng thứ tự xilanh vào đúng thời điểm, để có thể bật tia lửa đốt cháy hòa khí vào cuối kỳ nén. Bộ chia điện có thể được dẫn từ trục khuỷu hoặc trục cam. Đối với động cơ khảo sát đầu ra của bộ chia điện được nối với 4 bugi tương ứng ở từng xilanh. Thứ tự các bugi tương ứng với một vòng quay bộ chia điện là 1 - 3 - 4 - 2, tương ứng với thứ tự nổ của động cơ. - Bôbin: Là một biến thế, gồm hai cuộn dây; với số vòng khác nhau cùng quấn trên cùng một lõi sắt từ. Số vòng dây của cuộn thứ cấp nhiều hơn gấp nhiều lần số vòng 17 của cuộn sơ cấp. Khi xuất hiện điện áp biến thiên từ cuộn sơ cấp, sinh ra từ trường biến thiên trong lõi sắt từ, từ trường biến thiên này xuyên qua cuộn thứ cấp và sinh ra dòng điện trong cuộn thứ cấp. Nhiệm vụ của Bôbin là tạo ra điện áp rất cao, khoảng 45 - 50 kV. Ở mức điện áp này có thể tạo ra tia lửa điện phóng qua khe hở nhỏ khoảng 2 mm, kèm theo nhiệt và tiếng nổ. Điện áp cao sinh ra từ bôbin được dẫn đến bộ chia điện thông qua các dây dẫn được cách ly cao áp. - Bugi: Nhiệm vụ là tạo ra tia lửa điện nhờ khoảng hở giữa hai cực của bugi. Khi xuất hiện tia lửa, sinh ra nhiệt độ cao và làm bốc cháy hòa khí ngay giữa khoảng hở này Sau khi cháy, màng lửa tiếp tục lan rộng ra khắp buồng cháy. Như vậy hòa khí đã được đốt cháy. 2.2.3.3. Bộ phận phân phối khí Có cấu tạo gồm nhiều bộ phận nhưng quan trọng nhất là các phần sau - Xupap: Có nhiệm vụ đóng mở các cửa nạp và cửa xả. Cấu tạo xupap gồm 3 phân chính: tán xupap, thân xupap và đuôi xupap. - Đũa đẩy: Dùng trong hệ thống phân phối khí có xupap treo. Đũa đẩy có nhiệm vụ truyền lực từ con đội đến đòn bẩy. - Con đội: Gồm có phần thân để dẫn hướng và phần mặt tiếp xúc với cam phân phối khí. Thân con đội có dạng hình trụ còn phần tiếp xúc có nhiều dạng khác nhau. Con đội có nhiệm vụ nhận lực trực tiếp từ cam truyền đến đũa đẩy hay đuôi xupap để đóng mở xupap. - Đòn bẩy: Là chi tiết truyên lực trung gian một đầu tiếp xúc với đũa đẩy, một đầu tiếp xúc với đuôi xupap. Khi trục cam nâng con đội lên, đũa đẩy đẩy vào một đầu của đòn bẩy đi lên, đầu kia đòn bẩy nén lò xo xupap xuống và mở xupap. - Trục cam: Có nhiệm vụ dẫn động xupap đóng mở theo một trình tự nhất định. 2.2.3.4. Bộ phận nhiên liệu Hệ thống nhiên liệu của động cơ đang khảo sát sử dụng phương pháp hoà trộn trước bao gồm các chi tiết: Bình chứa, các ống dẫn, lọc, bơm nhiên liệu, bộ chế hòa khí… Tuy nhiên ở hệ thống nhiên liệu quan trọng nhất là bộ chế hoà khí. Bộ chế hòa khí có nhiệm vụ tạo ra hỗn hợp đồng nhất giữa nhiên liệu và không khí theo một tỉ lệ thích hợp, nhằm giúp cho hỗn hợp này được cháy hoàn toàn. Thông thường tỉ lệ hỗn hợp được tính bằng tỉ lệ khối lượng giữa nhiên liệu và không khí. Đối với động cơ 18 xăng tỉ lệ này là 1:14,7 nhưng đối với động cơ chạy bằng biogas thì tỉ lệ này là 1:12,5 [1]. Các bộ phận chính của bộ chế hoà khí: - Bơm giữ mực: Nhiệm vụ của bình giữ mực là tích trữ một lượng xăng trong nó nhằm đảm bảo cho bộ chế hoà khí làm việc ổn định. Trong bình giữ mực có hệ thống phao, kết cấu của hệ thống phao cho phép đảm bảo nhiệm vụ của bình giữ mực. Khi mực xăng hạ thấp xuống, phao hạ xuống, đồng thời mở van kim cho phép xăng chảy vào trong bình giữ mực; khi mực xăng trong bình dâng cao, phao được nâng lên, van kim đóng lại ngăn không cho xăng tiếp tục chảy vào. - Mạch tốc độ thấp sơ cấp: Nhằm cung cấp nhiên liệu cho động cơ khi làm việc ở chế độ ít tải. - Mạch tốc độ cao sơ cấp: Có nhiệm vụ cung cấp nhiên liệu cho động cơ khi làm việc ở chế độ tải vừa và nặng. - Mạch tốc độ thấp thứ cấp: Giúp cho động cơ không bị giật trong quá trình tăng tốc. - Mạch tốc độ cao thứ cấp: Cung cấp thêm nhiên liệu cần thiết cho động cơ khi chuyển từ chế độ làm việc vừa sang tải nặng. Hình 2.4. Sơ đồ bộ chế hòa khí 19 2.2.3.5. Bộ phận làm mát Két nước, cánh tản nhiệt, quạt gió… có nhiệm vụ nhận nhiệt từ khí cháy truyền qua thành buồng cháy thông qua môi chất làm mát để đảm bảo nhiệt độ các chi tiết trong máy không quá nóng cũng không quá nguội. 2.2.3.6. Bộ phận bôi trơn Cacte dầu, bơm dầu… có nhiệm vụ đưa dầu từ cacte dầu đến các mặt ma sát, lọc sạch những tạp chất lẫn trong dầu nhờ khi dầu nhờn tẩy rửa các mặt ma sát này và bảo vệ các bề mặt của chi tiết máy trong động cơ không bị rỉ, làm giảm ma sát của ổ trục đưa nhiệt lượng phát sinh do ma sát ra khỏi ổ trục. 2.2.4. Cấu tạo động cơ đã đƣợc chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu biogas Về cơ bản động cơ sử dụng nhiên liệu biogas cũng là một động cơ đốt trong nhưng đã được chuyển đổi và thêm vào một số bộ phận cho phù hợp với đặc tính của biogas. Cụ thể như sau - Hệ thống nhiên liệu: Giữ nguyên bộ chế hoà khí, lắp thêm bộ trộn để sử dụng gas. Bộ trộn được lắp vào phía trước của bộ chế hoà khí và sử dụng phương pháp hòa trộn trước. Nhiên liệu và không khí được hòa trộn hình thành hòa khí trước khi hút vào động cơ. Bộ trộn có nhiệm vụ hòa trộn không khí và biogas thành một hỗn hợp có tỉ lệ thích hợp với từng chế độ làm việc của động cơ. Như vậy động cơ vừa có thể chạy bằng nhiên liệu xăng cũng như biogas. Ngoài ra còn có thêm hệ thống điều khiển tự động chuyển mạch nhiên liệu từ xăng khi khởi động sang biogas khi động cơ đã đạt nhiệt độ. - Hệ thống đánh lửa: Giữ nguyên kết cấu, có trích đường tín hiệu xung NE đưa vào mạch điều tốc điện tử. - Hệ thống làm mát: Lắp thêm két nước. - Bộ điều tốc điện tử: Có tác dụng điều chỉnh tốc độ làm việc của động cơ. Bộ điều tốc điện tử dùng động cơ bước trực tiếp điều khiển bướm ga, hoạt động liên tục cùng với động cơ; vi mạch được chọn là AT89C2051 [3]. 2.2.5. Khí thải của động cơ đốt trong Khí thải của động cơ được thải từ xylanh đi ra môi trường, ngoài các sản vật cháy hoàn toàn CO 2 , H 2 O, N 2 , còn chứa các sản vật chưa được cháy hoàn toàn, các sản vật được phân giải từ sản vật cháy hoặc từ nhiên liệu. 20 Bảng 2.7. Hàm lƣợng các chất trong khí thải động cơ[4] 2.2.5.1. Oxit cacbon (CO x ) Có trong khí thải do thiếu oxy nên C không được cháy hoàn toàn. Đối với động cơ xăng hoạt động với hoà khí đậm lượng CO có thể lên đến 10 - 12 % thể tích sản vật cháy. Ở động cơ diesel CO có thể lên đến 0,5 %. Oxit cacbon ở nhiệt độ cao có thể kết hợp với oxy tạo thành CO 2 . Chất này cùng với CFC là nguyên nhân chính gây ra hiệu ứng nhà kính làm nhiệt độ trái đất tăng nhanh, ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sống của con người. Chính vì thế hàm lượng oxit cacbon trong khí xả của các loại động cơ luôn là một trong những vấn đề được quan tâm hàng đầu. 2.2.5.2. NO x , H 2 S và SO 2 NO x gồm có NO và NO 2 tồn tại ít chỉ khoảng vài mg/lít. H 2 S và SO 2 có trong khí thải động cơ dùng nhiên liệu có lưu huỳnh. Lượng H 2 S thường rất nhỏ không đáng kể nhưng lượng SO 2 có thể lên đến 250 mg/m 3 . NO x cùng với H 2 S, SO 2 khi được thải vào không khí có thể bị biến đổi thành NO 3 - , SO 4 2- kết hợp với nước ngưng tụ trong mây và rơi xuống thành mưa acid ảnh hưởng lớn đến đời sống của động vật cũng như thực vật trên cạn. Nó làm mất cân bằng quá trình biến dưỡng của cơ thể sinh vật, gây ra một số bệnh cho cây trồng… 2.2.5.3. Các chất hydrocacbua Chứa trong sản vật cháy dưới dạng các chất C n H m . Sự độc hại của nó không kém gì CO, một trong các chất trên là benzơpiren-3,4 rất dễ gây bệnh ung thư. Các chất trong khí thải động cơ Động cơ xăng Động cơ diesel N 2 (% thể tích) O 2 (% thể tích) Hơi nước (% thể tích) CO 2 (% thể tích) CO (% thể tích) 74 - 77 76 - 78 0,3 - 8,8 2 - 18 3,0 - 5,5 0,5 - 4 5,0 - 12 1 - 10 5,0 - 10 0,01 - 0,5 NO x (mg/l) HC (mg/l ) OH (mg/l) 0 - 0,8 0,0002 - 0,5 0,2 - 3 0,009 - 0,5 0 - 0,2 0,001 - 0,009 Benzơpiren-3,4 ( kg/m 3 ) 10 - 20 0 - 10 Muội than (g/m 3) 0 - 0,4 0,01 - 1,1 21 2.2.5.4. Các hợp chất của chì Tồn tại trong khí xả của động cơ sử dụng xăng pha chì. Tác hại của các hợp chất với chì cũng rất độc hại. Chì có cấu trúc tương tự như canxi nên nó có thể được hấp thụ vào tế bào thần kinh làm hỏng chức năng tổng quát của tế bào. Những nghiên cứu gần đây cho thấy chì acetate có khả năng gây bệnh ung thư [6]. 22 Chƣơng 3. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1. Thời gian và địa điểm thực hiện đề tài Đề tài được thực hiện từ tháng 3 đến tháng 8 tại trại heo gia đình anh Huỳnh Công Bằng số 23/3 tổ 13, ấp Trung Lân, xã Bà Điểm, huyện Hóc Môn, Thành phố Hồ Chí Minh và tại trại bò trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh. 3.2. Vật liệu và thiết bị sử dụng Biogas được ủ từ phân heo. Xăng A92. Máy phát điện công suất 10 kVA. Đồng hồ đo ampe và volt. Máy đo khí xả. Túi nhựa dẻo trữ gas chiều dài 4,5 m, đường kính 0,75 m. Ống nhựa PVC có đường kính 21 mm. Bóng đèn loại 500 W, 300 W, 100 W, bàn ủi công suất 1000 W. Các dụng cụ khác như: Táp lô lớn, phích cắm điện, công tắc điện, kéo, kềm, băng keo đen, dây điện… 3.3. Phƣơng pháp, bố trí thí nghiệm 3.3.1. Giai đoạn 1 - Chuẩn bị gas nhiên liệu cho chạy máy: Cột kín 2 đầu của túi nylon, một đầu cố định, một đầu mang ống nhựa để trữ, đo lượng gas hoặc dẫn khí vào máy phát điện. Tiến hành nối ống dẫn gas này vào lỗ thoát khí của hầm biogas để trữ gas vào túi. Kiểm tra túi, ống dẫn, van khoá, không để gas xì. Tính toán lượng gas trong túi trữ theo kích thước của túi bằng công thức sau: Lượng gas (m 3 ) = chiều dài túi x 3,14 x (đường kính túi/2) 2 - Khảo sát được tiến hành tại Hóc Môn bằng nhiên liệu biogas ở chế độ không tải 3.3.1.1. Bƣớc 1: Khảo sát nồng độ các loại khí thải, hiệu điện thế ở 2 đầu ra của máy phát điện khi hoạt động ở chế độ không tải có công suất nhỏ. . áp suất cao đẩy piston đi xuống làm quay trục khuỷu của động cơ và truyền mômen ra ngoài cho các thiết bị công tác. Động cơ máy phát điện 15 sử dụng nhiên liệu khí biogas loại công suất 10. Lâm Thành phố Hồ Chí Minh. 3. 2. Vật liệu và thiết bị sử dụng Biogas được ủ từ phân heo. Xăng A92. Máy phát điện công suất 10 kVA. Đồng hồ đo ampe và volt. Máy đo khí xả. Túi nhựa dẻo trữ. địa phương nh : Đồng Nai, Củ Chi, Hóc Môn… đã ứng dụng thành công việc sử dụng biogas làm nhiên liệu cho các động cơ nhỏ, các máy công tác thông thường nh : máy bơm nước, máy phát điện vào sản