Đồ án thiết kế hầm sinh khí biogas cho hộ chăn nuôi, trang trại và ứng dụng thực tế của biogas

Phần I : Sơ lược về nguồn nguyên liệu và việc xử lý nguồn nguyên liệu trước khi ủ . 1. Nguồn nguyên liệu : Là phế liệu, phế thải trong sản xuất nông nghiệp, lâm nghiệp, và các hoạt động trong đời sống của chúng ta ngày nay và các hoạt động trong các nghành kinh tế sản xuất và chế biến nông lâm thủy sản…v.v. 2. Phân gia súc : Đây Là nguồn nguyên liệu có rất nhiều trong nước ta hiện nay.Do vì nước ta là nước nông nghiệp nên sử dụng,tận dụng các nguồn thức ăn trong nghành này. Vậy nên phân gia súc là nguồn nguyên liệu chủ yếu trong các hầm Biogas của nước ta hiện nay. • Khả năng cho phân và thành phần hoá học của phân gia súc,gia cầm : Vật nuôi Khả năng cho phân hàng ngày của 500kg v.nuôi Thành phần hoá học ( % khối lượng phân tươi ) Thể tích : m 3 Trọng lượng tươi (kg) Chất tan dễ tiêu Nitơ Photpho Tỷ lệ Carbon / Nitơ 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 a. Xử lý nguyên liệu : Nguyên liệu dùng để lên men tạo khí sinh học rất nó rất chi là phong phú và đa dạng ,trước khi sử dụng những nguyên liệu này chúng ta cần phải chọn lọc kỹ càng và xử lý sao cho nó được phù hợp với yêu cầu và chất lượng như sau - Nguyên liệu phải giàu cellulose. - Nguyên liệu phải Ít Ligin - NH 4 + ban đầu khoảng 2000mg/l - Tỷ lệ carbon / nitơ : 20/30 - Nguyên liệu phải được hoà tan trong nước Ảnh hưởng của các loại phân đến sản lượng và thành phần của khí sau khi 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 heo Phân người 1,11 0,56 0,31 1,02 0,38 57 69 60 68 10 9 30 20 21 Pha chế nguyên liệu, và hỗn hợp khí sau khi lên men ở 21 0 C Sản lượng khí m 3 / kg ng.liệu Thành phần sau 21 ngày (%) 24 ngày 80 ngày CH 4 H 2 CO 2 Phân bò Phân bò +0,4% bã mía Phân bò +1% tro bếp Phân bò + 1% cellulose Phân bò +0,4% bã mía +1% urê Phân bò +1% lá tạp (1,7N) 0,063 0,071 0,061 0,084 0,081 0,081 0,21 0,21 0,19 0,21 0,26 0,22 60,0 57,6 60,4 52,8 68,0 68,0 1,1 2,1 2,9 34,4 38,4 34,4 44,0 30,6 Phần II: Sơ lược tổng quan về công nghệ khí biogas 1: Giới thiệu chung. - Khái niệm : Biogas hay còn gọi là công nghệ sản xuất khí sinh học, là quá trình ủ phân rác, phân hữu cơ và bùn cống rãnh, để tạo ra nguồn khí sinh học để sử dụng trong hộ gia đình hay trong sản xuất,công nghiệp. • Thành phần Biogas : CH 4 , CO 2 , N 2 ,H 2 , H 2 S …, trong đó có các khí như CH 4 , CO 2 là chủ yếu. Các công nghệ để chuyển các chất hữu cơ sang khí sinh vật tồn tại nhiều năm ở những nước phát triển và đang phát triển. Khí sinh vật đốt trực tiếp để nấu ăn, thắp sáng và chạy động cơ. Quá trình sản xuất khí sinh vật là tiến hành lên men sinh học cho các chất hữu cơ như: Các chất thải nông nghiệp, phân và các chất thải công nghiệp trong môi trường yếm khí (làm thiếu oxi) để sinh ra các khí mêtan (CH 4 ) và các thành phần khí khác như CO 2 , O 2 , H 2 , N 2 , O 2 , CO. Ngoài việc sản xuất sinh ra các khí trên, việc lên men các chất hữu cơ còn làm giảm thể tích của chúng để trở thành các chất ở dạng nhão, những chất này làm phân bón cho cây trồng rất tốt. Một lợi ích nửa của quá trình này là tạo môi trường sức khoẻ tốt cho cộng đồng. Các kiểu hầm sinh khí Hầm thu khí trôi nổi Ấn Độ, kiểu hầm sinh khí cố định của Trung Quốc và hầm sinh khí kiểu túi được phát triển mạnh ở Đài Loan. Trung Quốc và Ấn Độ là hai quốc gia thành công nhất trong việc triển khai áp dụng kỹ thuật lên men kỵ khí để giải quyết nhu cầu về chất đốt và xử lý về ô nhiễm môi trường trong chăn nuôi. a) Mô hình hầm BIOGAS ở các nước. b)Mô hình hầm BIOGAS của bác Trương Gập (Đà Nẵng) ong ngan mui nguon phan vao ong dan khi ong dan ba thai ong ap suat be ap suat be phan huy gas toi uu Ho lang cat ong dan phan 1. Những cơ sở khoa học của việc sản xuất khí sinh vật. Khí sinh vật được tạo ra do hiện tượng lên men của các chất hữu cơ gây ra bởi các loại vi khuẩn đặc biệt. Công nghệ lên men kỵ khí Các chất hữu cơ có thể lên men theo hai cách tuỳ thuộc vào sự có mặt của khí trời mà ta có hiện tượng lên men hiếu khí và hiện tượng lên men kỵ khí. a/ sơ đồ quá trình lên men mêtan H 2, CO 2 ACETAT CH 4 ,CO 2 b/ Hiện tượng lên men hiếu khí Ở một số nơi người ta ủ phân, rác rưởi, lá khô, gỗ mục thành từng đống và thỉnh thoảng có sáo trộn, lúc này những vi khuẩn hiếu khí (là những vi khuẩn sống được phải có ôxi khí trời) sẽ phân huỷ các chất hữu cơ nhẹ và làm tăng nhiệt độ lên khoảng 60 0 C cao hơn nhiều so với nhiệt độ sinh ra trong quá trình lên men kỵ khí. Cuối cùng người ta có được một loại mùn giàu chất Nitơ, phot pho và kali (N,P,K) làm phân bón rất tốt. c/ Hiện tượng lên men kỵ khí Mục đích chính của luận văn này là nguyên cứu đi sâu quá trình khí sinh vật trong điều kiện lên men kỵ khí. Sinh khí mêtan là quá trình vi sinh vật học với sự tham gia của hàng trăm chủng loại vi khuẩn kỵ khí bắt buộc và kỵ khí không bắt buộc. Các vi sinh vật này tiến hành hàng chục phản ứng hoá sinh học để phân huỷ và biến đổi các chất hữu cơ phức tạp thành một khí cháy được gọi là khí sinh vật. Có thể chia quá trình lên men kỵ khí sinh mêtan thành 3 giai đoạn chính như sau. Các giai đoạn của quá trình lên men kỵ khí sinh mêtan (CH 4 ): Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 Giai đoạn 3 CH 4 CO 2 Chất béo Các chất tan Chất béo Hydrat cacbon Protein Vi sinh vật phân huỷ chất béo Vi sinh vật phân huỷ Xenluloza Vi sinh vật phân huỷ Protein Vi khuẩn Sinh axit Vi khuẩn Si sinh mêtan + Giai đoạn 1: Dưới tác dụng của men hydroza do vi sinh vật tiết ra, các chất hữu cơ như chất béo, Xenluloza, protein bị phân huỷ và biến thành các chất hữu cơ đơn giản để hoà tan trong nước như: đường đơn, glyxerin, axitbeo, axit amin, … giai đoạn 1 nói cách khác là quá trình hoà tan các chất hữu cơ phức tạp vào nước dưới tác dụng của các men do vi khuẩn tiết ra. + Giai đoạn 2: Dưới tác dụng của vi khuẩn sinh axit, các chất tan nói trên sẽ biến thành các axit hữu cơ phân tử lượng nhỏ hơn (axit axetic, axit butylic, axit probionic,…) và một số khí CO 2 , N 2 , H 2 ,… +Giai đoạn 3: Là giai đoạn sinh mêtan là giai đoạn quan trọng nhất của toàn bộ quá trình. Dưới tác dụng của vi khuẩn sinh mêtan, các axit hữu cơ và các hợp chất đơn giản khác biến thành khí mêtan, cacbonic, oxi,… Sự tạo thành khí metan theo hai cách sau. - Dưới tác dụng của vi khuẩn, một phần CO 2 sẽ bị khử thành CH 4 trong đó chất cung cấp điện ly là H 2 và rượu. - Axit hữu cơ biến thành CH 4 theo phản ứng sau. CH 3 COOH CH 4 + CO 2 Các axit hữu cơ có phân tử lượng cao sẽ biến thành CH 4 theo phản ứng. R-COOH R 1 -COOH CH 3 COOH CH 4 + CO 2 1.3: Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình len men sản suất khí sinh vật. Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men sản suất khí metan sinh học, trong đó các yếu tố có thể kiểm soát được như độ pha loãng nguyên liệu, độ kín của hầm, các cao độ cần thiết của bể nạp, bể thải, và còn có một số yếu tố quan trọng khác cần nghiên cứu đó là: Nhiệt độ, độ pH, tỷ lệ C/N của nuyên liệu, thời gian lưu trữ, đặc tính và tốc độ bổ sung nguyên liệu… a/ Ảnh hưởng của độ kín. Trong hầm ủ phân, khí metan được sinh ra hoàn toàn do vi khuẩn kỵ khí chỉ cần một lượng nhỏ oxi cũng làm cản trở việc sinh khí. Do đó sự cần thiết cho hầm ủ khí là hoàn toàn kín. b/ Ảnh hưởng của nhiệt độ. Vi khuẩn sinh khí CH 4 cũng như các loại vi khuẩn khác, quá trình sinh trưởng và phát triển của chúng phụ thuộc vào nhiệt độ tuân theo phương trình Vanhopf-Anrhenius: 2 RT )(ln E dT kd = Trong đó: K: hằng số tốc độ phản ứng T: nhiệt độ [ 0 K] E: hằng số đặc trưng phản ứng R: hằng số khí lí tưởng, R=8314 J/Kmol. Tích phân phương trình trên giữa T 1 và T 2 ta có: 12 12 1 2 )( )ln( TTR TTE K K − = Nếu biết được K 1 , ta tính được K 2 . Trong thực tế, hằng số phân huỷ E được chọn khoảng 84000 J/mol. Miền nhiệt độ tối ưu cho các hoạt động của vi khuẩn tương đối hẹp. Người ta chia ra làm ba miền nhiệt độ chính: + Prychrophilic: (2 -18) 0 C + Mesophilic: (18 – 45) 0 C + Themophilic: (45 – 85) 0 C Nhiệt độ tối ưu cho quá trình lên men khí sinh vật được xác định ở miền Mesophilic và miền Themophilic. Ở nhiệt độ nhỏ hơn 15 0 C, tốc độ sinh khí trở nên quá nhỏ và giảm dần đến 10 0 C thì vi khuẩn dường như không hoạt động sinh khí.Từ (30\40) 0 C các vi khuẩn hoạt động mạnh nhất và do đó tốc độ sinh khí cũng lớn nhất. Ở khoảng nhiệt độ (50\60) 0 C, tốc độ sinh khí đạt đỉnh cao thứ hai, ở đây một loại vi khuẩn ưu nhiệt trở nên rất sinh động với môi trường xung quanh nhưng sản phẩm phân bón có chất lượng giảm đi, hơn nữa để có nhiệt độ cao hơn 50 0 C, thì nhiều khi tốn năng lượng để đốt nóng vì vậy người ta ít vận hành bể sinh khí ở nhiệt độ này. Ở những vùng lạnh hay mùa đông, muốn đủ khí dung người ta phải có những biện pháp để đưa nhiệt độ phân huỷ lên trên 30 0 C. Người ta đã xác định được mức sản xuất khí của một tấn phân ở điều kiện nhiệt độ khác nhau như sau: Nhiệt độ ( 0 C) Sản xuất khí (m 3 /ngày) Thời gian phân huỷ kéo dài [tháng] 15 0,15 12 20 0,3 6 25 0,6 3 30 1,0 2 35 2,0 1 c/ Ảnh hưởng của độ PH. pH là khái niệm biểu thị nồng độ H + tự do trong dung dịch, Sorenson (1909) định nghĩa pH theo phương trình: pH = -log(H + ) hay pH = log(1/H + ) Độ pH thích hợp nhất cho lên men sản xuất khí sinh vật nằm trong giới hạn từ 6,5\7,5. Trong điều kiện này, sự sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn sinh metan đạt giá trị cực đại, pH nhỏ hơn 6,5 có nghĩa là axít nhẹ được tạo thành vượt khả năng sử dụng của vi khuẩn sinh khí metan, pH tiếp tục giảm sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến sự sinh trưởng và phát triển của loại vi khuẩn này. Nguyên nhân thừa axit là do: + Tốc độ bổ sung nguyên liệu mới quá nhanh + Nhiệt độ môi trường thay đổi đột ngột + Độc tố được tích luỹ ảnh hưởng đến hoạt động của vi khuẩn sinh khí metan + Bề mặt dung dịch lên 111men bị một lớp váng quá dày bao phủ Có thể điều chỉnh độ pH của dung dịch bằng cách giảm tốc độ bổ sung nguyên liệu mới, tìm cách ổn định nhiệt độ môi trường xung quanh, thêm vôi, NH3 hoặc phá tan lớp váng. d/ Ảnh hưởng của tỉ lệ C/N. Các nguyên tố C và N là thức ăn chủ yếu của vi khuẩn sinh metan kỵ khí. Tốc độ tiêu thụ C nhanh hơn N khoảng 30 lần, do đó phân huỷ kỵ khí tốt nhất khi nguyên liệu có tỉ lệ C/N bằng 30/1. Hàm lượng cacbon trong rơm rạ quá lớn, N lại quá nhỏ do đó dễ dẫn đến tình trạng C quá thấp và động lại trong bể làm giảm khả năng phân rã kỵ khí. Ngược lại khi N quá thừa thì C sẽ nhanh chóng bị sử dụng hết và sự lên men cũng bị dừng lại. Do đó người ta ít dung trực tiếp phân bắc và nước tiểu để sản suất khí sinh vật vì tỉ lệ C/N của chúng là quá thấp, thường thì chúng được kết hợp với nguyên liệu có tỉ lệ C/N cao như rơm rạ, giấy vụn. Số lượng và chất lượng phân thu được thay đổi tuỳ thuộc vào điều kiện cho ăn và vật liệu lót chuồng. e/ Ảnh hưởng của tỷ lệ pha loãng và chất lượng nguyên liệu Theo nguyên cứu thì nồng độ chất đốt khô trong dung dịch phân nạp vào bể từ (9 – 10)% thì vừa thích hợp cho cả quá trình lên men tạo khí lẫn tháo bỏ nguyên liệu đã sử dụng. Nói chung lượng nước đưa vào bể hoà tan phân theo tỷ lệ nước/phân dao động từ 1/1 đến 3/1. Tỷ lệ pha loãng đối với phân bò 2/1 đối với phân heo thì đang được sử dụng phổ biến. f/ Ảnh hưởng của thời gian lưu giữ nguyên liệu trong hầm. Thời gian lưu giữ đóng vài trò quan trọng đối với quá trình lên men sản xuất khí sinh học. Nó phụ thuộc vào chất lượng nguyên liệu. Trong thời gian thực tế nguyên liệu lưu giữ khoảng 30 – 60 ngày. Như theo đi thực tế thì các hầm thương lưu trữ nguyên liệu khoảng 50 là chủ yếu. g/ Ảnh hưởng của các chất độc tố: Do hoạt động lên men thì có thể tích luỹ các ion NH 4 , Na, K, Zn…sẽ ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng của các vi khuẩn sinh ra để lên men. h/ Các yếu tố ảnh hưởng khác. Quá trình khuất đảo dung dịch cũ và áp suất tạo ra trong hầm khí. 1.4: Giới thiệu một số loại bể sinh khí được sử dụng rộng rãi ở nước ta. a/ Hầm ủ bằng tấm dẻo. (hầm ủ bằng hình túi) Lá thiết bị sản xuất khí metan bằng chất liệu màng, có gắn van đóng mở. Đó là một túi có van khoá, được xây dựng chủ yếu trên mặt đất. Ưu điểm: - Dể di chuyển - Áp lực không thay đổi nhờ sự co giản của túi - lắp đặt tương đối nhanh - Giá thành hạ Nhược điểm: - Phải gắn van an toàn để xả bớt khí, nếu không túi có thể nổ. - Phải giữ không cho các loại gặm nhấm có thể cắn hỏng túi - Không thể vớt váng ra - Không khuất đảo phân được Các khúc ống cong ở ống dẫn vào và ống thoát có thể bị nghẽn Loại hầm sinh khí kiểu túi b/ Hầm ủ có bình chứa gas nổi: Đặc tình - Hầm ủ xây bằng gạch - Ống dẫn vào và ra phải xây thẳng để không bị nghẹt - Vận hành liên tục Ưu điểm: - Có thể nhấc bình chứa gas lên để vớt váng dễ dàng - Áp suất gas không thay đổi - Bình chứa gas có thể xoay để khuất phân ở một mức độ nào đó Nhược điểm: [...]... do là hầm nắp cố đình nên khi phá ván thì hơi khó khăn Loại hầm sinh khí nắp cố định Phần III : THIẾT KẾ HẦM BIOGAS CHO TRANG TRẠI Ở NÔNG THÔN VIỆT NAM Dự án được xây dựng trên một chăn trại ở nông thôn việt nam với khoảng 100 con lợn, từ yêu cầu của dự án nên ta cần chọn loại hình thiết kế KSH cho phù hợp nhất Do vậy chúng ta cần tìm hiểu kỹ về hoạt động và cấu tạo, đặc điểm loại hình thiết kế KSH... chọn cho dự án Phương pháp xác định cơ sở thiết kế thiết bị thích hợp từ thiết kế mẫu Giới thiệu hoạt động của thiết bị KSH 2.1 Chu trình hoạt động của thiết bị Chu trình hoạt động của thiết bị gồm hai giai đoạn GĐ1 : giai đoạn trữ khí GĐ2 : giai doạn xả khí Ở trạng thái ban đầu của chu trình hoạt động, bề mặt dịch phân hủy trong bể phân hủy và bề mặt phân hủy tiếp xúc với khí trời tại lỗ vào và ra... cũng nhỏ hơn Vd theo thiết kế PHẦN IV : CHUẨN BỊ VÀ TÍNH TOÁN A/ Chuẩn bị 3.1/ Chọn thiết kế Rất nhiều kiểu hầm sinh khí đã được phổ biến nhưng trên thực tế các loại hình thiết kế được đưa ra phổ biển không có nghĩa là nó được xây dựng và thử nghiệm qua một thời gian Do vậy cần phải cẩn thận khi chọn loại hình thiết kế cho phù hợp Nhưng điểm cần lưu ý khi chọn thiết kế - Tận dụng vật liệu có sẵn -... Lượng khí thu được hằng ngày G= 300.35 1000 = 10.5m3 Thể tích trữ khí cần có Vg= 0,5 10,5 = 5,25m3 tức là = 1 4 Vd Từ những tính toán trên để cho phân được phân hủy hoàn toàn và sinh khí tối đa ta xây hầm thành 3 khoang thông nhau qua cửa và phần chứa khí có ống thông với nhau Mô tả sơ bộ tổng quát hầm sinh khí thiết kế 3.2/ Tính toán các bộ phận hầm 3.2.1/ Tính toán phần chứa khí Như đã tính toán ở... tích hình trụ của nóc là: Vd = V’ – V c = 3.045- 0.84 = 2,205m3 Chiều vòm hầm là: 4Vd Dn2 π 4.2,205 3,212.3,14 Hn = = = 0,278m Để đảm bảo chứa hết khí sinh ra từ trong hầm ta tăng chiều cao của phần chứa khí lên 0.3m ta chọn Hn = 0.3m 3.2.2/ Các kích thước chính của hầm sinh khí: Hầm có đường kính bằng chiều cao: Dh=Hh= 2.99m Chiều dày thành dưới của hầm và phần chứa khí là: Độ cao phần chứa khí là: Hn... trường không khí và hỗn hợp phân nước α ng α tr α tr Ta cần tìm và Giả thiết cho tw1 và Ta tính toán và thử lại khi nào đạt sai 0 0 số cho phép < 5 thì được chọn Khi tính toán nhiệt cho hầm, ta cần chọn điều kiện môi trường khắc nghiệt nhất chọn tmt = th = 100C α 1 α ng α 2 α tr Bằng phương pháp lặp cho ( ), tw1 ta tìm tw2 , ( ) Sau đó tiến hành thử lại kết quả < 5% thì được chọn α1 Giả thiết cho = 18... bằng nhau và nằm ở mức không Lúc đó áp suất khí sinh học trong bể phân hủy bằng không ( P = 0) Phần trên của bể phân hủy có chứa một lượng khí nhất định Tuy nhiên lượng khí này không thể lấy đi sử dụng vì không có áp suất để đẩy khí ra ngoài bể Phần khí này có thể gọi là khí chết Phần không gian chứa khí chết gọi là phần không gian không hoạt động của bể phân hủy Khí bắt đầu được sinh ra và tích lại... nhất” Giai đoạn trữ khí của chu trình hoạt động đúng đắn của thiết bị kết thúc tại đây Đó là trạng thái cuối cùng của giai đoạn trữ khí của chu trình hoạt động Lúc này áp suất khí đạt giá trị lớn nhất (P = P max) Thể tích khí sinh ra trong chu trình bằng V g Lượng chất lỏng bị khí chiếm chỗ được giữ lại ở khoang thứ ba ( bể điều áp ) có thể tích là Vc = Vg* Giá trị Pmax khi thiết kế được chọn trong... số truyền nhiệt của lớp cách nhiệt ,W/mK δi : bề dày lớp kết cấu thứ I ,m λi : hệ số truyền nhiệt của lớp kêt cấu thứ I,m tu k : hệ số truyền nhiệt tối ưu được chọn cho kết cấu nền, nó phụ thuộc vào nhiệt của 0 tu hầm và tra bảng 3.3 trang 63 ( tài liệu 1) Theo nhiệt độ của hầm là 35 C, ta có k = 0,87 W/m2K α ng α ng có α tr : hệ số tỏa nhiệt bề mặt ngoài của vách ngoài, tra bảng 3.7 trang 65( tài liệu... số truyền nhiệt tối ưu được chọn cho kết cấu nền, nó phụ thuộc vào nhiệt độ của hầm và được tra bảng 3-3 trang 63 (Tài liệu 1) Theo nhiệt độ của hầm là 350C, ta có ktư = 0,87, W/m 2K α ng α ng : Hệ số tỏa nhiệt bề mặt ngoài của vách ngoài, tra bảng 3-7 trang 65 ( Tài liệu 1) = 9, W/m2K ta có α tr : Hệ số tỏa nhiệt bề mặt trong của vách,vì ở trong nắp là môi trường khí sinh ra α tr trong quá trình lên . tốt cho cộng đồng. Các kiểu hầm sinh khí Hầm thu khí trôi nổi Ấn Độ, kiểu hầm sinh khí cố định của Trung Quốc và hầm sinh khí kiểu túi được phát triển mạnh ở Đài Loan. Trung Quốc và Ấn Độ là. nhỏ hơn V d theo thiết kế. PHẦN IV : CHUẨN BỊ VÀ TÍNH TOÁN A/ Chuẩn bị 3.1/ Chọn thiết kế Rất nhiều kiểu hầm sinh khí đã được phổ biến nhưng trên thực tế các loại hình thiết kế được đưa ra phổ. Phương pháp xác định cơ sở thiết kế thiết bị thích hợp từ thiết kế mẫu. Giới thiệu hoạt động của thiết bị KSH 2.1. Chu trình hoạt động của thiết bị Chu trình hoạt động của thiết bị gồm hai giai đoạn