công nghệ sản xuất khí biogas và ứng dụng

công nghệ sản xuất khí biogas và ứng dụng

MỤC LỤC

TÓM TẮT 2

I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 3

II CÔNG NGHỆ BIOGAS 3

1 Khí biogas là gì 3

2 Nguồn nguyên liệu 3

3 Ứng dụng của khí biogas 4

III CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÔNG NGHỆ BIOGAS 5

1 Quá trình lên men tạo Metan 5

2 Các yếu tố ảnh hưởng 7

IV QUY TRÌNH SẢN XUẤT KHÍ BIOGAS 8

1 Quy trình sản xuất Biogas 8

2 Cấu tạo bể chứa biogas 9

V CÁC CÔNG NGHỆ BIOGAS PHÁT TRIỂN Ở VIỆT NAM 10

1 Hầm biogas nắp cố định hình vòm hay phẳng 10

2 Hầm biogas nắp nổi (Indian) 10

3 Túi biogas bằng nhựa dẻo Polyethylene 11

4 Hầm ủ ống nằm ngang bằng bê tông và bằng composite 12

5 Hầm biogas phủ bạt nhựa HDPE hoặc FPP resins 12

VI KẾT LUẬN 13

VII TÀI LIỆU THAM KHẢO 14

VIII SINH VIÊN THỰC HIỆN 14

I

TÓM TẮT TIỂU LUẬN

Bài tiểu luận này cung cấp các thông tin tổng quát về khí biogas, quy trình sản xuất và ứng dụng của nó

Phần I - Giới thiệu đề tài: giới thiệu đề tài của tiểu luận và nguyên nhân chọn đề tài Phần II – Công nghệ biogas: cung cấp các thông tin về khái niệm khí biogas, nguyên

liệu cần thiết để tạo khí biogas và các ứng dụng của nó trong sinh hoạt, sản xuất

Phần III - Cơ sở lý thuyết của công nghệ biogas: nghiên cứu về cơ chế tạo ra khí

biogas và các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình này

Phần IV – Quy trình sản xuất khí biogas: các bước cơ bản trong một quá trình sản

xuất khí biogas; cấu tạo và nguyên lí hoạt động của bể chứa khí biogas

Phần V – Các công nghệ biogas phát triển ở việt nam: liệt kê các công nghệ sản

xuất đã xuất hiện ở Việt Nam và ưu – nhược điểm của mỗi công nghệ

Phần VI – Kết luận: đánh giá tiềm năng ứng dụng của công nghệ biogas hiện tại và

trong tương lai xa

Phần VII – Tài liệu tham khảo.

I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Hiện nay vấn đề tìm nguồn năng lượng thay thế cho năng lượng hóa thạch đang là đề tài lớn mà mỗi quốc gia đều đang phải đối mặt Năng lượng tái tạo đang là giải pháp hàng đầu được ưu tiên nghiên cứu

Ngoài các nguồn năng lượng tái tạo phổ biến như mặt trời, gió, nước, … thì nguồn năng lượng sinh khối cũng là một nguồn năng lượng giàu tiềm năng Bài tiểu luận cung cấp một nghiên cứu sơ lược về một loại năng lượng sinh khối đang được áp dụng rộng rãi, đó là năng lượng biogas

II CÔNG NGHỆ BIOGAS

1 Khí biogas là gì.

Biogas hay khí sinh học là hỗn hợp khí methane (CH4) và một số khí khác phát sinh từ

sự phân huỷ các vật chất hữu cơ Methane cũng là một khí tạo ra hiệu ứng nhà kính gấp 21 lần hơn khí carbonic (CO2)

Thành phần chính của Biogas là CH4 (50  60%) và CO2 (> 30%) còn lại là các chất) và CO2 (> 30%) và CO2 (> 30%) còn lại là các chất) còn lại là các chất khác như hơi nước N2, O2, H2S, CO … được thuỷ phân trong môi trường yếm khí, xúc tác nhờ nhiệt độ từ 20 – 40oC

Hình 1

Nhiệt trị thấp của CH4 là 37,71.103KJ/m3, do đó có thể sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong Để sử dụng biogas làm nhiên liệu thì phải xử lý biogas trước khi sử dụng tạo nên hỗn hợp nổ với không khí Khí H2S có thể ăn mòn các chi tiết trong động cơ, sản phẩm của nó là SOx cũng là một khí rất độc Hơi nước có hàm lượng nhỏ nhưng ảnh hưởng đáng kế đến nhiệt độ ngọn lửa, giới hạn cháy, nhiệt trị thấp và tỷ lệ không khí/nhiên liệu của Biogas

2 Nguồn nguyên liệu

Các loại bùn từ ao tù, đầm lầy, … phế liệu, phế thải trong sản xuất nông, lâm nghiệp,

và các hoạt động sống, sản xuất và chế biến nông lâm sản

Vi sinh vật thường sử dụng nguồn hữu cơ cacbon nhanh hơn sử dụng ni tơ khoảng 30 lần Do vậy nguyên liệu có tỷ lệ C/N là 30/1 sẽ thích hợp nhất cho lên men kỵ khí Phân động vật và các chất thải rắn như rơm rạ rất thích hợp cho lên men kỵ khí

Trong thực tế người ta thường cố gắng đảm bảo tỷ lệ trên trong khoảng 20 – 40 Phân gia súc có tỷ lệ C/N nằm trong giới hạn này nên được xem là nguyên liệu chủ yếu trong sản xuất biogas

Bảng 1: Khả năng cho phân và thành phần hoá học của phân gia súc,gia cầm:

Vật nuôi

Khả năng cho phân của 500kg vật nuôi/ngày ( % khối lượng phân tươi ) Thành phần hoá học Thể tích

(m 3 ) Trọng lượng tươi (kg) Chất tan dễ tiêu Nitơ Photpho Tỷ lệ C/ N

Bò sữa

Bò thịt

Lợn

Trâu

Gia cầm

0,038 0,038 0,028 0,028

38,5 41,7 28,4 6,78 31,3

7,98 9,33 7,02 10,2 16,8

0,38 0,70 0,83 0,31 1,20

0,10 0,20 0,47 1,20

20-25 20-25 20-25 7-15

Bảng 2: Ảnh hưởng của các loại phân đến sản lượng và thành phần của khí thu được :

Nguyên liệu Sản lượng khí

m 3 /kg phân khô

Hàm lượng

CH 4 (%)

Thời gian lên men (ngày)

Phân bò

Phân gia cầm

Phân gà

Phân lợn

Phân người

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

57 69 60 68

10 9 30 20 21

3 Ứng dụng của khí Biogas

Với quy mô nhỏ, hộ gia đình, khí biogas có nhiều ứng dụng thiết thực vào đời sống như đun nấu, làm đèn thắp sáng, chạy máy phát điện, …

Hình 2

Trong công nghiệp, người ta tinh chế khí biogas để tăng hàm lượng metan, bỏ các thành phần có hại như SOx, H2S, … để tăng chất lượng, gần như khí thiên nhiên Khí sau khi tinh chế được sử dụng để phát điện, dùng làm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông như xe máy, ô tô và thậm chí là tàu hỏa

Hình 3

III CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÔNG NGHỆ BIOGAS

Quá trình tạo ra khí biogas lá quá trình 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

1 Quá trình lên men tạo Metan

Gồm 3 giai đoạn chính:

i Giai đoạn 1

Các chất hữu cơ cao phân tử như protein, a.amin, lipid, … được vi sinh vật kị khí như Closdium bipiclobacterium, Bacillus gram âm không sinh bào tử, staphy loccus, …

chuyển thành các các chất có trọng lượng thấp hơn axit hữu cơ, đường, glyxerin, (gọi chung là hydrat cacbon)

ii Giai đoạn 2

Là giai đoạn phát triển mạnh các loài vi khuẩn metan để chuyển hầu như toàn bộ các chất hydrat cacbon thành CH4 và CO2 Đầu tiên là sự tạo thành các axit hữu cơ nên pH giảm xuống rõ rệt

iii Giai đoạn 3

Sản phẩm của giai đoạn 2 là nguyên liệu để phân huỷ ở giai đoạn này, tạo ra hỗn hợp khí : CH4, CO2, H2S, N2, H2, và muối khoáng (pH của môi trường chuyển sang kiềm)

Ta mô hình hóa thành sơ đồ sau:

Sơ đồ 1

2 Các yếu tố ảnh hưởng

Toàn bộ quá trình lên men Metan bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố:

 Đều kiện kỵ khí: không có O2 trong dịch lên men

 Nhiệt độ: qui mô nhỏ thực hiện ở 30-350C, qui mô lớn có cơ khí hóa và tự đông hóa thực hiện ở 50-550C

Chất hữu cơ,

carbohydrates,

chất béo,

protein.

H2 ,CO2 Acid acetic

Acid propionic, Acid butyric, Các thành phần khác

Khối Vi khuẩn

Khối Vi khuẩn

H2 , CO2 Acid acetic

Khối Vi khuẩn

CH4, CO2

Tác dụng của vi khuẩn lên men và thủy

phân Vi khuẩn

acetogenic

Vi khuẩn sinh khí Metan

 Độ pH: 6,5 – 7,5 (nếu <6,4: vi sinh vật giảm sinh trưởng và phát triển)

 Tỷ lệ Cacbon/Nitơ: 30/1 là tỷ lệ tốt nhất

 Tỷ lệ pha loãng: Tỷ lệ nước/phân dao động từ 1/1  7/1 Tỷ lệ pha loãng đối với phân bò: 1/1, phân lợn: 2/1 đang được phổ biến nhất

 Sự có mặt của không khí và độc tố: tuyệt đối không có oxy Các ion NH4, Ca, K, Zn, SO4 ở nồng độ cao có ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn sinh metan

 Đặc tính và tốc độ bổ sung nguyên liệu: bổ sung càng đều thì sản lượng khí thu được cao

 Khuấy đảo môi trường lên men: tăng cường sự tiếp xúc cơ chất

 Thời gian lên men: 30 – 60 ngày

IV QUY TRÌNH SẢN XUẤT KHÍ BIOGAS

1 Quy trình sản xuất Biogas

Quy trình sản xuất tuân theo 3 giai đoạn chính:

Giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu: chọn lọc và xử lý nguyên liệu phù hợp với yêu cầu sau: giàu xenluloza, ít lignin, NH4 ban đầu khoảng 2000mg/1, tỷ lệ C/N từ 20-30, hòa tan trong nước (hàm lược chất khô 9-9,4%) và CO2 (> 30%) còn lại là các chất với chất tan dễ tiêu khoảng 7%) và CO2 (> 30%) còn lại là các chất)

Giai đoạn lên men: lên men theo mẻ, bán liên tục hoặc liên tục

Giai đoạn sau lên men: thu và làm sạch khí.

Sơ đồ 2

Nguyên liệu

(phân, rác,

…)

Phối chế (nguyên liệu, nước)

Lò phản ứng kỵ khí sinh mê tan

Thu khí

Mùn (chế biến phân bón)

Bổ sung giống VSV

Sử dụng

Đem sử dụng hoặc xử lý hiếu khí tiếp

Bùn thải Tái sử dụng

Nước ra

Nước ra

Xử lý

2 Cấu tạo bể chứa biogas

Một bể biogas composite có cấu tạo và nguyên lí như sau:

i Cấu tạo

Hình 4

Về mặt cấu tạo bể bao gồm 3 bộ phận chính là bể phân giải, bộ phận chứa khí và bộ phận điều áp Cả ba bộ phần này đều được kết hợp nằm trong một khối Cả khối được chôn chìm dưới mặt đất Thiết kế của thiết bị compozite gồm:

 Bể phân giải;

 Ngăn chứa khí;

 Ống dẫn khí;

 Cửa nạp nguyên liệu (ống lối vào);

 Cửa xả (ống lối ra)

ii Nguyên lí hoạt động

Nguyên liệu nạp được nạp vào bể phân giải qua cửa nạp nguyên liệu vào cho đến khi ngập mép dưới của cửa, cửa nạp nguyên liệu và cửa xả khoảng 60 cm Lúc này áp suất khí trong bể phân giải bằng 0 (P=0)

Khí sinh ra được tích tụ trong ngăn chứa khi sinh ra áp suất đẩy dịch phân giải dâng lên theo cửa nạp nguyên liệu và cửa xả Độ chênh giữa hai bề mặt dịch phân giải cửa nạp

nguyên liệu/cửa xả và ngăn chứa khí tạo nên áp suất trong bể đẩy khí sinh ra vào ống thu khí và đường ống dẫn khí đến nơi sử dụng

Khí được lấy ra để sử dụng và khi sử dụng hết, áp suất trong ngăn chứa khí bằng 0, thiết bị trở về trạng thái ban đầu Vì cửa nạp nguyên liệu đã được bịt kín nên ở trạng thái Pmax, dịch phân giải chỉ được đẩy ra theo cửa xả

Trong quá trình hoạt động, bề mặt của dịch phân giải luôn luôn lên xuống làm cho tiết diện luôn luôn thay đổi trong ngày do vậy có tác dụng phá váng Năng suất khí m3 khí/m3 phân giải/ngày 0,32 lượng khí đủ dùng Sản lượng khí trung bình đạt 2,24 m3/ ngày Từ 10kg phân lợn trở lên hàng ngày có thể sản xuất được 400 - 500 lít khí, đủ để cung cấp nhiên liệu cho gia đình 04 người sử dụng, đối với chiếu sáng có thể đạt độ sáng tương đương đèn sợi tóc 60W

V CÁC CÔNG NGHỆ BIOGAS PHÁT TRIỂN Ở VIỆT NAM

1 Hầm biogas nắp cố định hình vòm hay phẳng

Đây là loại hầm thông dụng và được nghiên cứu rộng rãi từ Trung Quốc năm 1936, sau đó ở nhiều nơi khác cho tới nay Được xây lắp từ gạch và xi măng, hầm có cấu trúc vững và độ bền cao, biogas sinh ra có áp xuất cao Tuy nhiên nhược điểm chủ yếu là cần phải có kỹ thuật viên có tay nghề cao để xây dựng và bảo trì Giá thành khá cao (5-10 triệu đồng/hầm) cũng là một giới hạn của công nghệ này

Hình 5

Trong những năm vừa qua, công nghệ loại này phát triển chủ yếu là loại hầm xây gạch nắp vòm hay bán cầu Thể tích hầm thướng biến động từ 5 đến 30 m3 Loại hầm này chủ yếu xây phục vụ cho các chăn nuôi gia đình hay trại chăn nuôi nhỏ và vừa

2 Hầm biogas nắp nổi (Indian)

Xuất xứ từ Ấn độ năm 1956 do Jashu Bhai J Patel phát triển (Gobar Gas plant) sau đó cải tiến thành mẫu KVIC Có cấu trúc gọn, chiếm ít diện tích xây dựng nhưng do giá thành cao hơn hẳn các loại hầm khác nên số lượng lắp đặt khá khiêm tốn Ngoài ra, chất lượng của nắp nổi cũng là một vấn đề cần quan tâm Loại hầm này được một số cơ sở thiết kế và xây dựng nhưng với số lượng ít

Hình 6

3 Túi biogas bằng nhựa dẻo Polyethylene

Với chi phí chỉ bằng 1/4 - 1/5 giá hầm xây, túi ủ bằng polyethylene trở nên rất phù hợp cho người sử dụng ở Việt nam Đặc biệt túi ủ có thể lắp nổi trên mặt nước, rất thích hợp cho những vùng ngập nước, vùng có mùa nước nổi như các tỉnh ở Đồng bằng sông Cửu Long

Ưu điểm của biogas bằng chất dẻo so với hầm xây là:

 Kỹ thuật lắp đặt dễ dàng, chi phí lắp đặt thấp;

 Vận hành đơn giản, ít tốn chi phí vận hành;

 Sửa chữa dễ dàng, ai cũng làm được, không cần tay nghề cao

 Có thể thay đổi vị trí đặt hầm ủ một cách dễ dàng;

 Có thể đặt nổi trên mặt nước ở những nơi thiếu diện tích đất

Tuy nhiên một trong những điểm cần lưu ý khi sử dụng túi ủ bằng chất dẻo là việc bảo vệ tránh nắng và tác động cơ học làm rách bịch

Hình 7

Giá thành thấp (trên dưới 1 triệu đồng/túi), thời gian hoàn vốn nhanh nên công nghệ này được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam

4 Hầm ủ ống nằm ngang bằng bê tông và bằng composite

Nhằm đa dạng hoá các sản phẩm hầm biogas, gần đây, Trường ĐH Nông Lâm, ĐH Bách Khoa và một số đơn vị khác đã thử nghiệm loại hầm biogas ống nằm ngang bằng bê tông và bằng vật liệu composite với ưu điểm:

 Độ bền cao,

 Giá thành vừa phải,

 Kỹ thuật lắp đặt đơn giản,

 Vận hành thuận tiện, ít phải bảo trì, sửa chữa,

 Có thể chuyển đổi vị trí hầm ủ

Loại hầm này cũng đã phát triển tốt ở một số tỉnh như Bến Tre, Long An, Tiền Giang Tuy nhiên, cần có một số nghiên cứu phát triển để các công nghệ này có thể ứng dụng rộng rãi trong điều kiện của các cơ sở sản xuất trong các vùng khác nhau

5 Hầm biogas phủ bạt nhựa HDPE hoặc FPP resins (còn gọi là CIGAR)

Đa số các công nghệ biogas vừa nêu trên đây chủ yếu thích hợp cho các cơ sở sản xuất nhỏ và vừa với số lượng chất thải ít Ngày nay, chăn nuôi tập trung, công nghệ chế biến nông súc hải sản tập trung đang có xu hướng phát triển mạnh Nhiều cơ sở lớn sử dụng các lọai nhựa dẻo như HDPE, FPP resins làm tấm bạt phủ trên hố chứa phân và nước thải (còn gọi là công nghệ CIGAR- Covered In-Ground Anaerobic Reactor) để thu biogas

và giảm ô nhiễm môi trường

Hình 8

Kết quả cho thấy có rất nhiều triển vọng đặc biệt cho các trang trại với số đầu gia súc lớn (hàng ngàn con), các nhà máy chế biến có lượng nước thải hàng ngàn khối Các lọai nhựa này có tuổi thọ và độ bền cao (10-15 năm), mặc dù đầu tư tốn kém, nhưng giá thành tính trên đơn vị thể tích hố ga thì lại rất rẻ Có một số số liệu về tính năng của các chất liệu này ở một số nước trên thế giới Các ưu, nhược điểm chính của công nghệ CIGAR gồm:

 Chi phí đầu tư thấp so với hầm bê tông

 Vận hành đơn giản, bảo trì dễ

 Tỷ suất phát sinh khí Biogas thấp

 Hàm lượng TS trong dung dịch cấp vào thấp nên dung tích bể lớn

Các kết quả theo dõi vận hành các bể phản ứng CIGAR cho thấy thường sau năm thứ

3 có vấn đề tích luỹ chất rắn làm giảm hiệu quả phân huỷ

VI KẾT LUẬN

Việt Nam là nước có tỷ trọng nông nghiệp cao trong nền kinh tế với sản xuất quy mô nhỏ phổ biến, các rác thải từ quá trình trồng trọt chăn nuôi của các hộ gia đình tuy phân tán nhưng khá phong phú Do đó áp dụng công nghệ sản xuất khí biogas quy mô nhỏ cho mỗi hộ gia đình là một giải pháp phù hợp để phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt như thắp sáng, nấu ăn, … góp phần giảm bớt quá tải cho các ngành sản xuất năng lượng (điện, xăng dầu) đồng thời giảm bớt ảnh hưởng tới môi trường từ các quá trình phân hủy chất thải đó Trong tương lai xa, với các trại chăn nuôi lớn, tập trung thì việc sản xuất khí biogas càng trở nên cần thiết để giải quyết rác thải và tạo ra nguồn khí biogas dồi dào phục vụ cho các mục đích với quy mô lớn, như cung cấp nhiên liệu cho nhà máy nhiệt điện, làm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông, … Biogas sẽ là một nguồn năng lượng đáng kể

để thay thế cho các nhiên liệu hóa thạch đang có nguy cơ cạn kiệt

VII TÀI LIỆU THAM KHẢO

Thông tin:

1. http://en.wikipedia.org

2. http://www.doko.vn/luan-van/tim-hieu-ve-tiem-nang-va-hien-trang-su-dung-nang-luong-biogas-tai-thi-xa-son-tay-thanh-pho-ha-noi-223814

3. http://www.doko.vn/luan-van/tim-hieu-ve-tiem-nang-va-hien-trang-su-dung-nang-luong-biogas-tai-thi-xa-son-tay-thanh-pho-ha-noi-223814

4. http://lamdong.pc2.vn/index.php?

option=com_content&view=article&id=1047%) và CO2 (> 30%) còn lại là các chất3Ain-mt-tri-co-th-to-ra-bc-t-pha-v-kinh-t&Itemid=265

5. http://www.hoahocngaynay.com/vi/hoa-hoc-hien-dai/nhien-lieu-sinh-hoc/1633-lich-su-biogas-ung-dung-va-phat-trien.html

Hình ảnh:

1 Hình 1: http://udkhcnbinhduong.vn/upload/fckeditor/upload_50593c

03e8b26_123.30.74.24_h1.jpg

2 Hình 2:http://nangluongtoancau.com/uploads/details/0bhjatv5.jpg

3 Hình 3:http://udkhcnbinhduong.vn/upload/fckeditor/upload_50593c03e8b26_ 123.30.74.24_h1.jpg

4 Hình 4:http://www.asiabiogas.com/main/images/stories/CICAR/cicar.jpg

5 Hình 5:http://moitruongxanhcomposite.com/images/stories/nlhoatdong.jpg

6 Hình 6: http://moitruonghungphat.vn/images/stories/san-pham-thiet-bi/den-biogas.jpg

7 Hình 7: http://moitruonghungphat.vn/images/stories/san-pham-thiet-bi/may-chay-biogas.jpg

8 Hình 8:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/dd/

BioGasBus.png/ 800px-BioGasBus.png

VIII SINH VIÊN THỰC HIỆN

Họ và tên: Nguyễn Văn Nhân

Chương trình kỹ sư chất lượng cao Việt – Pháp, trường đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh

THE END !