Bài giảng sử dụng năng lượng tái tạo - chương 2

Bài giảng sử dụng năng lượng tái tạo - chương 2

CHƯƠNG 2

NĂNG LƯỢNG TỪ BIOMASS

2.1.1 Khái niệm về biomass

Biomass là các chất hữu cơ có thể sinh nhiệt năng (trừ nhiên liệu hóa thạch),bao gồm gỗ, củi, rơm rạ, thân cây cỏ, phân động vật khô, …

Năng lượng từ biomass đã được con người biết đến và sử dụng từ lâu Tuynhiên biomass bị quên lãng do sự lấn át của các loại thiết bị chuyển đổi năng lượng

cả trên phương diện kỹ thuật, công nghệ và kinh tế Gần đây, nhu cầu về năng lượngcung cấp cho các phương tiện chuyển động ngày càng tăng đồng thời ý thức về môitrường cũng tăng lên trong khuôn khổ toàn cầu đã buộc chúng ta phải suy nghĩ lại vềviệc sử dụng biomass

Hàng năm khối lượng biomass được sản xuất ra trên toàn cầu là rất lớn.Biomass có thể được đốt cháy trực tiếp để sinh nhiệt hoặc được chế biến thành cácdạng nhiên liệu rắn, lỏng hoặc khí Hình 2.1 trình bày tổng quát các phương pháp

Nguồn Biomass: gỗ,

thân cây, cành cây,

rơm rạ, phân gia súc,

Nhiên liệu trung

gian: than củi, khí

tổng hợp, khí metan,

nhiên liệu lỏng,

etanol, …

Nhiên liệu Biomass

Nhiệt năng

Điện năng

Cơ năng

Động cơ nhiệt

Máy phát điện

những ưu điểm, việc sử dụng năng lượng từ biomass hiện tại còn gặp một số khókhăn như sau:

6 Có thể có tính kinh tế trong những điều kiện đặc thù của địa phương, nhất

là những đơn vị kinh tế nhỏ có điều kiện vận chuyển phù hợp

7 Có thể phát triển ở trình độ thủ công

8 Tạo việc làm và tăng thu nhập

9 Không gây hại cho hệ sinh thái và an toàn đối với môi trường

10 Không làm tăng lượng khí nhà kính CO2 trong khí quyển

- Hạn chế:

1 Đòi hỏi diện tích đất sử dụng lớn, cạnh tranh với đất canh tác

2 Nguồn cung cấp không chắc chắn trong thời gian đầu

3 Yêu cầu chi phí về phân bón, đất và nước

4 Cồng kềnh, khó khăn trong khâu vận chuyển và dự trữ

5 Thay đổi thất thường theo điều kiện khí hậu

1.1.1 Các nguồn nguyên liệu biomass

Các nguồn nguyên liệu để sản xuất năng lượng sinh học bao gồm phế thải nôngnghiệp, các loại thực vật cho năng lượng, thực vật biển và tảo Các nguồn biomassnày trải rộng trên toàn cầu và được coi là nguồn nhiên liệu bổ sung quan trọng chodầu mỏ

a) Nguồn phế thải nông nghiệp

- Phế thải thực vật

Nhiều nghiên cứu đã được tiến hành để xác định số lượng phế thải thực vậtđược sản xuất trên nhiều vùng khác nhau Thông tin thu thập được từ các chươngtrình nghiên cứu này bao gồm: sản lượng hàng năm, cách sử dụng hiện tại, phươngpháp sử dụng đề nghị và những cản trở việc sử dụng phế thải đúng cách

Các phế thải dễ tiếp cận như vỏ trấu, thân, cành cây, lá, cuống hoa, dây leo và

rễ luôn là những nguồn năng lượng quan trọng ở vùng nông thôn tại các nước đangphát triển Số lượng phế thải của mỗi loại cây trồng được ước tính dựa vào hệ số phếthải như trình bày trong bảng 2.1 Khoảng giá trị của mỗi hệ số tương đối rộng dophương pháp thu hoạch khác nhau, đồng thời có thể do số liệu thu thập không chínhxác, nhưng một điều hiển nhiên là số lượng phế thải thu được hàng năm là rất lớn

64

Khi nhân hệ số phế thải này với diện tích canh tác các loại cây trồng có thể ước tínhlượng phế thải sản xuất ở các nước khác nhau và trên toàn thế giới (bảng 2.2).

B ng 2.1 H s ph th i ảng 2.1 Hệ số phế thải đối với một số cây trồng chính ệ số phế thải đối với một số cây trồng chính ố phế thải đối với một số cây trồng chính ế thải đối với một số cây trồng chính ảng 2.1 Hệ số phế thải đối với một số cây trồng chính đố phế thải đối với một số cây trồng chính ới một số cây trồng chính i v i m t s cây tr ng chính ột số cây trồng chính ố phế thải đối với một số cây trồng chính ồng chính

Cây

có củ (Mt)

Cây

họ đậu (Mt)

Mía đường (Mt)

Tổng sản lượng (Mt)

có nhiều công dụng khác nhau Ví dụ: thân cây lúa (rơm rạ) có thể sử dụng để chephủ bảo vệ đất, giữ ẩm cho đất, cung cấp năng lượng cho vi sinh vật hoạt động, tăng

khả năng trao đổi cation và giảm cacbonic Năng lượng chứa trong phế thải thực vật

Sản lượng phế thải (t/

ha.năm)Khoảng Trung

Trung bình tại các nước đang phát triển 5,6

- Phân động vật là một dạng phế thải quan trọng ở các nước đang phát triển.

Cũng như phế thải thực vật, phân động vật có thể được sử dụng theo nhiều cách nhưbón thẳng ra ruộng, ủ để làm phân hữu cơ hoặc sản xuất khí sinh hoc (biogas)

b) Cây trồng làm nhiên liệu

- Cây hàng năm: Nhiều loại cây trồng hàng năm có thể sử dụng làm nguyên

liệu để sản xuất nhiên liệu như ngô, mía, củ cải đường, … Tỷ số năng lượng của

66

các loại cây này (là tỷ số giữa năng lượng đầu ra so với tổng năng lượng đầu vào đểsản xuất và chế biến một loại nhiên liệu từ biomass) nằm trong khoảng 1 17 Tuynhiên hiện nay việc chế biến nhiên liệu từ sản phẩm của cây trồng hàng năm còn gặpnhiều khó khăn do tính kinh tế thấp và tính cạnh tranh với cây lương thực.

- Cây rừng và cây lâu năm: Mặc dù rất khó đo đếm, nhưng phải thừa nhận

rằng nguồn tài nguyên rừng trên thế giới là vô cùng lớn Theo ước tính, tổng diệntích rừng trên thế giới vào khoảng 3800.106 ha, hàng năm có thể cho 19.109 m3 gỗvới 51% từ các vùng nhiệt đới Trong tổng sản lượng gỗ nói trên, có 11% đangđược sử dụng – 2% cho công nghiệp và 9% làm nhiên liệu

Mặc dù diện tích rừng rất lớn và trải rộng nhưng phân bố không đều Nạn phárừng đang là vấn đề nghiêm trọng ở nhiều nước đang phát triển, và nhiều thảm hoạ

đã xảy ra ở những vùng mà tốc độ khai thác gỗ làm củi đun nhanh hơn tốc độ pháttriển của cây rừng hàng năm

- Cây lấy dầu: Gần đây người ta quan tâm nhiều đến các cây lấy dầu như

hướng dương, đậu tương, lạc, cải dầu, cọ, đậu cọc rào, … Nhiều chương trìnhnghiên cứu về kỹ thuật sản xuất, ép dầu và tinh chế dầu thực vật làm nhiên liệu đangđược tiến hành ở Nam Phi, Brasil, Úc, Mỹ và Đức

c) Cây sống dưới nước:

- Cây nước ngọt: Cây nước ngọt rất đa dạng, từ vi tảo đến những cây lớn sống

ở đầm lầy như cây đuôi mèo, lan dạ hương, đước… Những loại cây này có thể chokhối lượng lớn biomass, tới hơn 45 tấn/ha.năm Số liệu về cây nước ngọt hiện cònrất hạn chế

- Cây nước mặn: Tảo khổng lồ được trồng và khai thác nhờ các trang trại trên

biển Hàng năm trên thế giới thu được khoảng 2 triệu tấn loại tảo này, nhưng cácchuyên gia ước tính rằng tiềm năng thực tế phải lớn gấp 10 lần con số này Đây lànguồn nguyên liệu lớn để sản xuất khí đốt tự nhiên (methane) Tuy nhiên việc canhtác trên biển đang gặp những khó khăn lớn mà đến nay vẫn chưa giải quyết được

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT NĂNG LƯỢNG TỪ BIOMASS

Năng lượng được coi là cơ sở để tạo ra công có ích trong các thiết bị nhiệt.Nhiệt năng là một dạng của năng lượng Biomass có thể được đốt trực tiếp để sinhnhiệt hoặc chế biến thành các dạng nhiên liệu thuận tiện cho sử dụng, bao gồm nhiênliệu rắn, nhiên liệu lỏng và nhiên liệu khí

1.2.1 Sản xuất nhiên liệu rắn từ biomass

Nhiên liệu rắn là loại biomass thô bao gồm gỗ, củi, phế thải nông nghiệp vàthan củi Đây là loại nhiên liệu chiếm ưu thế ở các nước đang phát triển được sửdụng để đun nấu đồng thời cho các ứng dụng nhiệt quan trọng khác

Các phương pháp đốt gỗ để tạo than củi được biết đến từ lâu trên thế giới, songphát triển cao nhất trong lĩnh vực này phải kể đến các thiết bị đốt gỗ khác nhau, nhất

là đốt gỗ cắt đoạn được sử dụng ở Đức và Áo với các giải pháp kỹ thuật hoàn thiện Đối với các loại nguyên liệu sinh hoá khác nhau thì tuỳ theo yêu cầu mà có thểtạo dạng buồng đốt khác nhau hoặc tiến hành điều chỉnh từng phần Đối với những

hỗn hợp gồm nhiều nguyên liệu khác nhau cũng cần quan tâm đến việc sử dụng hỗnhợp đốt hoặc thiết kế quá trình đốt nối tiếp các nguyên liệu trong một thiết bị mà vẫngiữ nguyên yêu cầu của khí đốt Kỹ thuật đốt tuần hoàn xoáy theo lớp có nhữngtruyền thống Các thiết bị đốt cây thân thảo (cỏ, thân cây lương thực, …) phát triểnmạnh ở Đan Mạch

1.2.2 Nhiên liệu lỏng từ biomass

Nhiên liệu lỏng sản xuất từ biomass gồm ba loại chính: methanol sản xuất bằngviệc tổng hợp các chất khí; ethanol là sản phẩm lên men từ đường, tinh bột hoặc cácchất xenlulô; dầu thực vật được sản xuất từ các loại hạt thực vật có dầu dùng làmnhiên liệu cho động cơ đốt trong

Việc sản xuất rượu cồn từ vật liệu sinh học (bioethanol) xuất phát từ thực vậtchứa đường, tinh bột hoặc xenlulô Trọng tâm của phương pháp là một quá trình lênmen để phân giải đường Thực vật chứa đường như mía, củ cải đường là vật liệu cókhả năng chuyển hoá thành rượu nhanh nhất Trong khi đó thực vật chứa xenlulôcần phải qua rất nhiều cấp chuẩn bị để chuyển hoá xelulô thành đường Trong quátrình lên men thường phải trải qua nhiều cấp mới có thể lấy được rượu Ở điều kiệnkhí quyển có thể lấy được rượu 96% Nếu muốn dùng rượu này để trộn lẫn với nhiênliệu hoá thạch thì cần tách nước còn lại Để bổ sung làm nhiên liệu cho động cơ đốttrong cần thêm một cấp xử lý để tăng trị số ốc tan.Nói chung việc sản xuấtbioethanol là một quá trình có chi phí lớn làm cho sản phẩm bioethanol có giá thànhcao nên hiện nay chưa được sử dụng rộng rãi

Dầu thực vật để làm nhiên liệu (biodiesel) được sản xuất bằng các phươngpháp và thiết bị khác nhau đều có chung một nguyên lý giống như sản xuất dầu ăn.Hiện nay có thể chia làm 2 dạng sản xuất chủ yếu: ép dầu tập trung và ép dầu phântán Phương pháp ép dầu tập trung được sử dụng trong các đơn vị sản xuất lớn trong

đó có hai cấp chiết dầu: chiết cơ học lấy được khoảng 85% và sau đó là chiết hoáhọc lấy được khoảng 14%, đạt mức tận thu đến 99% Tuy nhiên phương pháp nàyyêu cầu đầu tư lớn Ngược lại ở những nơi sản xuất phân tán sử dụng dây chuyền rútngắn với thiết bị nhỏ gọn, mức lấy dầu thấp hơn do bỏ qua công đoạn chiết dầu hoáhọc Để tách tạp chất có thể sử dụng các bộ lọc kiểu áp suất hoặc đơn giản hơn lànhờ phương pháp lắng lọc

2.2.3 Sản xuất nhiên liệu khí từ biomass

Nhiên liệu khí là sản phẩm của quá trình hoá khí các nguyên liệu biomass thôthông qua các quá trình hoá học Biomass thô là hợp chất của xenlulô, lignin và cácnguyên liệu khác được tạo thành từ cacbon, hydro và ôxy Hoá khí là sự chuyển đổithành phần cacbon trong biomass thành chất khí dễ cháy bằng cách điều khiển tốc

độ dòng khí thổi qua lớp vật liệu

Để hoá khí nhiên liệu rắn có 3 phương pháp quen thuộc, đặc điểm của mỗiphương pháp này tuỳ thuộc vào chiều dẫn chất mang nhiệt so với dòng chuyển độngcủa vật liệu, bao gồm:

- Hoá khí dòng đều hay dòng xuống

- Hoá khí dòng ngược hay dòng lên

68

- Hoá khí dòng xoáy theo lớp với các vùng lên và vùng xuống.

Quá trình hoá khí dòng đều phù hợp với gỗ nhưng không phù hợp với các loạicây thân thảo do cần thiết phải tạo ra những bối vật liệu và nguy cơ tạo xỉ từ tro.Việc hút khí nóng qua các bối vật liệu dẫn đến khả năng tách nhựa và cacburhydrothành CO, CO2 và H2O, đây là một khả năng có lợi Hiệu suất của lò hoá khí dòngđều vào khoảng 50 – 80%, nguyên liệu ngoài gỗ cần có hàm lượng nước < 20%

Lò hoá khí dòng ngược làm việc với quá trình hút khí đốt ở vùng vào của vậtliệu Khí đốt nóng tác động làm khô sơ bộ vật liệu vào lò và phần nào làm tách cácphần tử lớn dẫn đến làm giàu khí đốt Lò hoá khí dòng ngược có yêu cầu về hàmlượng nước của vật liệu, về độ tách nhỏ và cấu trúc vật liệu ở khoảng rộng hơn sovới hoá khí dòng đều Loại lò này còn dùng để hoá khí các vật liệu thân thảo, cây lá

có sinh khối lớn Việc ngưng tụ khí đốt ẩm dẫn đến tạo nước, tạo nhựa hoặc axitaxetic và các hợp chất khác, cần quan tâm để loại bỏ Hiệu suất của lò dòng ngượcvào khoảng 85%

Quá trình hoá khí dòng xoáy về mặt kỹ thuật hoạt động như quá trình đốt dòngxoáy theo lớp Yêu cầu đảm bảo dòng vật liệu đều đặn đối với cả chất mang nhiệt vàvật liệu dẫn đến chi phí lớn cho thiết bị và cho điều khiển quá trình Nhiệt độ quátrình cần được giữ đúng ở nhiệt độ hoá tro của nguyên liệu để đảm bảo hoạt độngcủa quá trình

Các quá trình hoá khí và sản phẩm của chúng được trình bày tổng quát trênhình 2.2

Hoá khí dùng ôxy

Hoá khí dùng hydro

Hoá khí nhiệt phân

Khí năng lượng thấp (N2) Khí năng lượng trung bình Dầu nhiệt phân Than củi

Cơ năng(động cơ đốt trong)

Khí năng lượng trung bình và khí giàu năng lượng (đưa vào đường ống khí đốt)

Chất lỏng tổng hợpmethanolammoniagasoline

Dầu nhiệt phân

Hơi nước(dùng trong chế biến nhiệt và động cơ hơi nước)

1.3 SẢN XUẤT NĂNG LƯỢNG TỪ BIOGAS

1.3.1 Khỏi niệm về biogas

Biogas hay khí sinh học là sản phẩm của quá trình lên men phân động vật vàcác phế thải hữa cơ khác Thành phần chủ yếu của biogas gồm khoảng 50-70%Metan và 30 - 45% CO2 và một ph nần nhỏ chất lu huỳnh

Tỷ lệ giữa các chất trong hỗn hợp phụ thuộc vào loại nguyên liệu và diễn biếncủa quá trình sinh học

Bảng 2.5 Thành phần của các chất khí trong biogas

Khi Mêtan cháy sẽ tạo ra ngọn lửa màu lơ nhạt và tỏa nhiều nhiệt lợng

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + 882 kJQuá trình lên men các phế thải hữa cơ để tạo thành biogas gồm ba giai đoạnsau:

Giai đoạn 1: Dới tác dụng của ezin thủy phân các chất hữa cơ lớn đợc phângiải thành các chất hữa cơ phân tử nhỏ nh axit béo, axit amin

Giai đoạn 2: Dới tác dụng của vi khuẩn tạo axit các chất hữa cơ phân tử nhỏ

đ-ợc phân giải thành các axit béo dễ bay hơi

Giai đoạn 3: Các axit béo dễ bay hơi đợc chuyển hóa thành khí CH4 và khí CO2nhờ các vi khuẩn sinh mêtan (Methanogen)

Trong 3 giai đoạn trên thì giai đoạn thứ 2 và giai đoạn thứ 3 xảy ra dới điềukiện yếm khí chặt chẽ (kín hoàn toàn) Còn ở giai đoạn 1 thì nguyên liệu đợc ủ ở bể

hở Do đó quá trình lên men các chất thải hữu cơ có thể chia thành 2 pha: pha không

kỵ khí (giai đoạn 1) và pha kỵ khí (gồm giai đoạn 2 và giai đoạn 3) Do vậy để tạo rakhí sinh học ngời ta thờng thiết kế hầm ủ cho cả 2 pha của quá trình lên men (2 phahỗn hợp hoặc có vách ngăn 2 pha) hoặc hầm ủ nguyên liệu ở bể hở khoảng 1 tuầncho pha không kỵ khí rồi mới chuyển xuống hầm kín

1.3.2 Nguyờn liệu để sản xuất biogas

Nguyên liệu để sản xuất biogas là các chất thải hữu cơ nh phân động vật, cácloại thực vật nh bèo, cỏ, rơm rạ, phế thải hữu cơ sinh hoạt… Khả năng khai thác Khả năng khai thácbiogas và năng lợng từ một số nguyên liệu khác nhau đợc trình bày trong bảng 2.6

Bảng 2.6 Khả năng khai thác biogas và năng lợng của một số vật liệu hữu cơ

STT Vật liệu Khả năng khai thác

biogas (l/kg v.c.khô) Năng lợng hàm chứa(kWh/kg v.c khô)

63

Việt Nam là nớc có nguồn nguyên liệu để sản xuất khí sinh học rất đa dạng.

Do là một nớc nông nghiệp nên lợng chất thải hữu cơ trong chăn nuôi, trồng trọt vàsinh hoạt gia đình là rất lớn Việc xây dựng các hầm ủ khí sinh học là vấn đề đang

đợc Nhà nớc và các địa phơng quan tâm vì nó không những giải quyết đợc vấn đềmôi trờng mà còn tạo ra đợc một lợng lớn khí sinh học, một nguồn năng lợng sạch và

rẻ tiền phục vụ cho sinh hoạt gia đình đem lại lợi ích kinh tế đáng kể cho các hộnông dân

Việc phân hủy yếm khí xảy ra tốt nhất khi tỷ lệ giữa cácbon và nitơ (C/N) trongvật liệu nằm ở khoảng 30 tức là vi khuẩn trong quá trình lên men sử dụng C nhanh hơn

N đến 30 lần Tỷ lệ C/N ở một số vật liệu thông thờng đợc giới thiệu ở bảng 2.7

Bảng 2.7 Tỷ lệ C/N của một số loại vật liệu

Qua bảng 2.7 cho thấy rơm rạ khô là loại nguyên liệu có tỷ lệ C/N cao nhất do

đó việc thủy phân yếm khí xảy ra rất chậm đôi khi có thể không thủy phân đ ợc nhtrấu Tuy nhiên độ chứa N và C có thể thay đổi theo điều kiện phát triển của thực vậthoặc mức độ ăn uống, chế độ nuôi nhốt của súc vật Cụ thể đối với phân bò sữa cóthể tạo ra khí sinh học sau 20 ngày ủ khoảng 200 –250 lít khí sinh học trên 1kg vậtliệu hữa cơ còn với phân bò thịt thì đợc đến 350 – 450 lít Ngoài ra khả năng khaithác khí sinh học còn chịu tác động của thời gian ủ Thời gian ủ tăng sẽ làm tăng khảnăng khai thác khí sinh học Thông thờng theo kinh nghiệm thực tế thì ngời ta chọnthời gian ủ là 20 ngày vì nếu ủ lâu hơn thì khả năng khai thác khí sinh học cũng tănglên rất ít

2.3.3 Một số yếu tố ảnh hởng tới quá trình sản xuất khí sinh học

Quá trình sản xuất khí sinh học chịu ảnh hởng của rất nhiều yếu tố nhng ở đâychúng ta chỉ xét đến những yếu tố quan trọng nhất cần thiết nhất trong xây dựng vàvận hành để đảm bảo cho thiết bị hoạt động tốt nhất

Mức độ kỵ khí: Khí sinh học đợc sinh ra do hoạt động của nhiều vi sinh vật

trong đó các vi khuẩn sinh mêtan là quan trọng nhất (vi khuẩn methanogen) Nhng vikhuẩn này chỉ sống đợc trong môi trờng tuyệt đối không có ôxy (kỵ khí bắt buộc).Vì vậy đảm bảo môi trờng phân hủy tuyệt đối kỵ khí là một yếu tố quan trọng đầutiên

Nhiệt độ: Hoạt động của vi khuẩn sinh mêtan chịu ảnh hởng rất nhiều của nhiêt

độ môi trờng Trong điều kiện tự nhiên nhiệt độ thích hợp nhất đối với chúng là 30– 400C Nhiệt độ thấp hoặc thay đổi đột ngột đều làm cho quá trình sinh mêtan yếu

đi Nhiệt độ môi trờng phân hủy xuống dới 100C thì quá trình phân hủy gần nh dừnglại Vì vậy ở những vùng lạnh cần đảm bảo cách nhiệt tốt để giữ ấm cho thiết bị.Việc xây dựng công trình ngầm dới lòng đất là biện pháp tốt để giữ ổn định nhiệt độcho môi trờng phân hủy

Tỷ lệ C/N của nguyên liệu: Tỷ lệ giữa trọng lợng của C và N có trong thành

phần nguyên liệu là chỉ tiêu đánh giá khả năng phân hủy của nó Vi khuẩn tiêu thụcácbon nhiều hơn nitơ khoảng 30 lần Vì vậy tỷ lệ C/N của nguyên liệu bằng 30 làtối u Tỷ lệ quá cao thì quá trình phân hủy xảy ra chậm, ngợc lại tỷ lệ này quá thấpthì quá trình phân hủy ngừng trệ vì tích lũy nhiều amôniăc là một loại độc tố đối với

vi khuẩn ở nhiệt độ cao Nói chung phân trâu, bò và phân lợn có tỷ lệ C/N thích hợpnhất, phân ngời và phân gia cầm có tỷ lệ C/N thấp Các nguyên liệu thực vật có tỷ lệC/N cao Để đảm bảo tỷ lệ C/N thích hợp ta nên dùng hỗn hợp các loại nguyên liệuchẳng hạn dùng phân ngời, phân gia cầm kết hợp với rơm rạ

Hàm lợng chất khô: Khi ta sấy khô nguyên liệu nớc sẽ bay hơi hết và còn lại là

phần chất khô của nguyên liệu Hàm lợng chất khô là tỷ lệ giữa trọng lợng chất khô

và tổng trọng lợng của nguyên liệu và đợc tính bằng phần trăm (%)

Quá trình phân hủy sinh mêtan xảy ra thuận lợi nhất khi môi trờng có hàm lợngchất khô thích hợp Đối với các loại phân hàm lợng chất khô tối u vào khoảng 7 –9% Đối với bèo tây hàm lợng này là 4 –5% Đối với rơm ra hàm lợng chất khô tối -

u là 5 –8% Nguyên liệu ban đầu thờng có hàm lợng chất khô cao hơn giá trị tối unên khi nạp vào thiết bị cần phải pha thêm nớc Tỷ lệ pha loãng thích hợp là từ 1 –3lít nớc cho 1kg phân

Thời gian lu: Thời gian lu là thời gian từ lúc nạp nguyên liệu vào đến lúc lấy

nguyên liệu ra Đối với chế độ nạp liên tục nguyên liệu sau phân hủy đợc đẩy dần tớilối ra do bị nguyên liệu mới bổ xung chiếm chỗ Thời gian lu là thời gian nguyênliệu đợc nạp vào cho tới khi bị đẩy ra khỏi bể phân hủy và thờng đợc tình bằng tỷ sốgiữa thể tích phân hủy và thể tích nguyên liệu đợc nạp bổ xung hàng ngày (đã phaloãng)

Quá trình phân hủy của nguyên liệu trong điều kiện tự nhiên xảy ra trong mộtthời gian dài Đối với phân động vật thời gian này có thể kéo dài tới hàng tháng Đốivới nguyên liệu thực vật thời gian này có thể tới hàng năm Đối với các thiết bị hoạt

động liên tục, thời gian lu càng lớn thì khí thu đợc từ một lợng nguyên liệu nhất địnhcàng nhiều Song nếu làm nh vậy thì thể tích bể phân hủy phải lớn và vốn đầu t xâydựng cao Nh vậy ngời ta chọn thời gian lu sao cho trong thời gian này tốc độ sinhkhí mạnh nhất Do đó thời gian thờng đợc chọn căn cứ vào thiết bị của địa phơng vànguyên liệu nạp

Các độc tố: Hoạt động của vi khuẩn chịu ảnh hởng của một số hóa chất Khi

hàm lợng của hóa chất này vợt quá giới hạn quy định các vi khuẩn có thể bị tiêu diệt.Trong thực tế sản xuất khí sinh học cần tránh các độc tố hóa học (thuốc trừ sâu,thuốc sát trùng), chất kháng sinh, nớc xà phòng, nớc nhuộm

1.3.3 Cỏc loại hầm sản xuất biogas

Để sản xuất khí sinh học, trớc hết cần có hầm chứa (hầm phản ứng biogas) lànơi để thực hiện quá trình tạo khí Theo quan điểm kỹ thuật công nghệ, hầm phảnứng có thể hoạt động nh một thiết bị lu giữ Việc nạp nguyên liệu có thể đợc thựchiện theo 2 cách:

65

Nạp từng mẻ: Toàn bộ nguyên liệu đợc nạp vào thiết bị một lần Mẻ nguyên

liệu này đợc phân hủy dần dần và cho khí sử dụng Sau một thời gian đủ để chonguyên liệu phân hủy gần hết thì toàn bộ mẻ nguyên liệu đợc lấy đi và thay thế vào

đó là một mẻ nguyên liệu mới Thông thờng phơng pháp này đợc áp dụng cho cácnguyên liệu là thực vật vì chúng phân hủy trong thời gian dài (thờng từ 3 – 6 tháng)

Nạp liên tục: Nguyên liệu đợc nạp đầy lúc mới đa thiết bị vào hoạt động Sau

đó nguyên liệu đợc bổ sung thờng xuyên, khi có một phần nguyên liệu đã phân hủy

sẽ đợc lấy đi nhờng chỗ cho phần nguyên liệu mới nạp vào Phơng pháp này phù hợpvới điều kiện nguyên liệu không có sẵn ngay một lúc mà phải thu góp hằng ngày nhphân ngời, phân súc vật

Trong thực tế ngời ta thờng áp dụng cả 2 phơng pháp trên: Nguyên liệu thực vật

đợc nạp từng mẻ, còn phân ngời và phân xúc vật đợc nạp liên tục hằng ngày Phơngpháp này gọi là bán liên tục

Trong quá trình phân hủy chỉ có một phần nguyên liệu chuyển hóa thành khísinh học, phần còn lại đợc lấy ra cùng với nớc loãng gọi là bã thải

Dựa vào cách thu tích khí ngời ta chia hầm sản xuất biogas thành hai loại là nắpnổi và nắp cố định

2.3.3.1 Hầm sản xuất biogas nắp nổi

Bộ phận chứa khí 2 là một nắp có dạng thùng đợc úp trực tiếp vào dịch phânhủy (hình 2.3) hoặc vào một đai nớc quanh miệng bể phân hủy (hình 2.4) Khí đợctích lại càng nhiều thì nắp nổi càng cao Trọng lợng của nắp sẽ nén vào khí tạo ra ápsuất Khi lấy khí ra sử dụng nắp sẽ chìm dần xuống

Khi nạp nguyên liệu mới qua bể nạp 3 thì nguyên liệu đã phân hủy sẽ tràn raqua lối thoát 4

4

52

Hình 2.3 Hầm sản xuất biogas nắp nổi

1 Bể phân hủy; 2 Bể chứa khí; 3 Bể nạp nguyên liệu;

4 Bể xả; 5 Cửa lấy khí ra

Nắp thờng đợc chế tạo bằng sắt hay ximăng có lới thép Yêu cầu của nắp làphải đảm bảo độ kín khít Ngoài ra trọng lợng của nắp sẽ tạo ra áp suất khí Tuy vậy,nếu chế tạo nắp bằng thép thì giá thành cao (30 – 40% giá công trình) và khó khănkhi tự sản xuất tại chỗ Nắp thép thờng làm cho dịch phân hủy mất nhiệt về mùa

đông nên năng suất giảm Loại có đai nớc hạn chế đợc nhợc điểm này, đồng thờikhắc phục đợc nớc ma tràn vào bể phân hủy khiến dịch phân hủy tiếp xúc với khôngkhí, không đảm bảo điều kiện kỵ khí Tuy nhiên do xây thêm đai nớc nên tăng chiphí chế tạo

2.3.3.2 Hầm sản xuất biogas nắp cố định

Cấu tạo: Bộ phận chứa khí 2 và bể phân hủy 1 đợc gắn liền với nhau thành một

bể kín Dịch phân hủy đợc chứa ở dới và khí đợc thu giữ ở phía trên

Khí sinh ra ở phía trên sẽ tạo ra áp suất nén xuống mặt dịch phân hủy, đẩy mộtphần dịch phân hủy tràn lên bể điều áp 6 đợc thông với lối ra 4

Giữa bề mặt dịch phân hủy và mặt thoáng ở ngoài không khí có một độ chênhlệch nhất định, thể hiện áp suất khí trong thiết bị Khí tích lại càng nhiều thì độchênh lệch này càng lớn Khi lấy khí sử dụng dịch phân hủy từ bể điều áp lại dồn vào

bể phân hủy và đẩy khí ra ngoài, áp suất khi đó sẽ giảm dần tới 0

Thiết bị nắp cố định có thể xây dựng bằng những vật liệu thông thờng nh gạch,cát, ximăng… Khả năng khai thác nên giá thành hạ hơn Ngoài ra có thể đặt chìm dới mặt đất nên đỡ tốndiện tích hơn và giữ ổn định đợc nhiệt độ Thiết bị loại này có thể tạo đợc áp suất khícao ( tới 100cm cột nớc) nên khí dùng rất có hiệu quả

Hỡnh 2.4 Hầm sản xuất biogas nắp nổi cú gioăng nước

Hình 2.5 Hầm sản xuất biogas nắp cố định vòm cầu

1 Bể phân huỷ; 2 Bộ phận chứa khí; 3 Cửa nạp;

4 ống dẫn; 5 Cửa lấy khí ra; 6 Cửa thải bã

67

Ngoài ra còn có hầm sản xuất biogas túi chất dẻo, đó là biến thể của nắp cố

định áp suất khí tạo ra do độ đàn hồi của vỏ túi nên không cần phải có bể điều ápnhng lại cần có trọng vật đè lên túi Loại này có giá thành hạ nhng tuổi thọ ngắn.Trong số các loại hầm ủ khí sinh học, loại nắp cố định vòm cầu là loại có nhiều

u điểm nhất và đang đợc ứng dụng rộng rãi tại Việt Nam vì thiết bị này có một số u

điểm sau:

- Vòm cầu cho phép tiết kiệm vật liệu tới mức tối đa vì cùng một thể tích thìdiện tích bề mặt nhỏ nhất và chịu lực khoẻ nhất nên bề dày của tờng giảm tới mứcthấp nhất( gạch đợc xây nghiêng) Ngoài ra chỉ sử dụng các vật liệu thông thờng, hạnchế sử dụng sắt thép tơí mức tối đa Nhờ vậy giá thành hạ

- Bề mặt giữ kín là đới cầu có diện tích nhỏ nhất và liên tục, không có góc cạnhnên dễ đảm bảo kín khí và tránh đợc sự rạn nứt vế sau này

- Bể phân huỷ có bề mặt nhỏ, đợc đạt ngầm dới đất nên hạn chế đợc sự trao đổinhiệt giữa dịch phân huỷ và môi trờng xung quanh, giữ nhiệt độ ổn định, ít chịu ảnhhởng của thời tiết lạnh về mùa đông

- Thiết bị đợc đặt ngầm nên dễ vận hành và ít tốn diện tích mặt bằng

- Đợc thiết kế bằng máy tính, các kích thớc đợc tính toán sao cho diện tích xâydựng nhỏ nhất để tiết kiệm vật liệu tối đa, các chi tiết đều đợc cải tiến trên cơ sở 10năm tuổi của kiểu nhiên liệu

Hiện nay các hầm ủ loại này đợc xây dựng phổ biến ở nớc ta, công suất củachúng thông thờng từ 1 – 10 m3 Lợng biogas tạo ra chủ yếu đợc dùng làm chất đốtphục vụ sinh hoạt gia đình Tuy nhiên biogas là một loại khí lỏng nên không thể lugiữ sử dụng lâu dài hay nén vào trong các bình áp suất Chính vì vậy việc nghiên cứu

để đa loại khí này vào sử dụng trong các mục đích khác đang là vấn đề cần thiết vàcần đợc quan tâm bởi vì nó vừa giải quyết đợc vấn đề môi trờng do xử lý đợc cácchất thải gây ô nhiễm , vừa tiết kiệm đợc một nguồn năng lợng đáng kể

1.3.4 Sử dụng biogas trong sản xuất và đời sống

Biogas sản xuất ra được sử dụng làm nhiờn liệu phục vụ sản xuất và đời sống.Tuỳ theo qui mụ của thiết bị sản xuất biogas mà sản lượng cung cấp và phương thức

sử dụng sẽ khỏc nhau Đơn giản nhất là sử dụng trực tiếp biogas từ hầm phản ứng đểđun nấu trong một gia đỡnh Phức tạp hơn là cung cấp biogas cho mạng lưới sử dụngnhiờn liệu khớ phục vụ sinh hoạt của một khu chung cư hay một khu vực nào đú,hoặc để chạy mỏy phỏt điện cung cấp điện năng và nhiệt năng cho một đơn vị sảnxuất Trong sản xuất nụng nghiệp, nếu thiết bị được thiết kế hợp lý cú thể vừa sảnxuất biogas làm nhiờn liệu lại vừa sản xuất phõn hữu cơ bún ruộng

Hình 2.6 Thiết bị khí sinh học kiểu túi chất dẻo

1 Bể phân huỷ; 2 Bộ phận chứa khí; 3 Cửa nạp;

4 Cửa xả; 5 Cửa lấy khí ra