Nghiên cứu và ứng dụng khí sinh học biogas cho động cơ đốt trong

Chương 1.GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU. 1.1 Giới thiệu về đề tài nghiên cứu. 1.1.1 Giới thiệu. Biogas là từ ghép của Bio-fuel và Gas nghĩa là khí sinh học. Khí sinh học biogas là tổ hợp metan (CH 4 ), cacbonic (CO 2 ) và các sản phẩm khác được sản xuất ra từ quá trình phân huỷ xác động vật và các chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí. Các loại chất thải có thể làm nguồn cung cấp cho quá trình sản xuất khí sinh học biogas: • Chất thải của con người. • Chất thải của động vật như: lợn, trâu, bò, gia cầm.… • Rác thải sinh hoạt, nông nghiệp, công nghiệp. Nguồn chất thải từ con người và động vật là nguồn sinh khí biogas vô tận, nếu chúng ta biết tận dụng chúng để làm nguồn nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu truyền thống để sử dụng cho động cơ đốt trong thì đây là một phương pháp hữu ích. 1.1.2 Mục đích ý nghĩa của đề tài. 1.1.2.1 Mục đích của đề tài. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và tìm hiểu những ứng dụng của nhiên liệu sinh học biogas cho động cơ đốt trong. 1.1.2.2 Ý nghĩa của đề tài. • Tận dụng nguồn phế phẩm mà chúng ta đang lãng phí. • Biogas là nguồn nhiên liệu thay thế cho xăng, dầu có nguy cơ cạn kiệt. • Biogas là nguồn nhiên liệu sạch cho động cơ đốt trong, góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường ( đốt cháy được khí CH 4 , gây hiệu ứng nhà kính gấp 21 lần so với khí CO 2 ). GVHD: Hồ Trọng Du SVTH: Hồ Minh Phú Nguyễn Văn Minh 1 Nghiên cứu và ứng dụng khí sinh học biogas cho động cơ đốt trong 1.2 Tổng quan về biogas. 1.2.1 Vấn đề năng lượng hiện nay. Dân số thế giới ngày càng tăng khiến cho nhu cầu tiêu thụ năng lượng cũng tăng theo nên nhu cầu về năng lượng là rất cần thiết, trong khi các nguồn năng lượng dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí đốt thiên nhiên và ngay cả thủy điện là có hạn khiến cho nhân loại có nguy cơ đứng trước việc thiếu năng lượng. Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng gió, năng lượng mặt trời … là một trong những hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng. Do đó, việc nghiên cứu sử dụng các nguồn khí sinh học (biogas) đã được triển khai và đạt được một số thành tựu đáng kể ở nhiều nước nhất là các nước đang phát triển Châu Á. 1.2.2 Tình hình phát triển biogas.  Trên thế giới. Hiện nay ở quy mô toàn cầu, biogas là nguồn năng lượng lớn. Tổng sản lượng ứng dụng chiếm 9% đến 10 % tổng năng lượng trên thế giới. Theo tính toán, nếu tận dụng xử lý được hết nguồn phế thải toàn cầu thì hàng năm người ta có thể tạo 200 tỷ m 3 khí sinh học, tương đương 150 đến 200 triệu tấn nhiên liệu và kèm theo nó là khoảng 20 triệu tấn phân bón hữu cơ chất lượng cao. Có thể nói rằng, Ấn Độ và Trung Quốc là hai quốc gia có sự phát triển nhanh chóng về công nghệ xây dựng các bể lên men mêtan. - Ấn Độ Công nghệ khí sinh học bắt đầu ở Ấn Độ bắt đầu từ năm 1897. Ban đầu, các trạm biogas chỉ có quy mô hộ gia đình. Hàng năm có khoảng 200.000 hộ gia đình Ấn Độ chuyển từ sử dụng năng lượng củi đốt sang sử dụng biogas. Năm 1985, Ấn Độ có khoảng 1 triệu bể với chi phí xây dựng khoảng 55 triệu đô la. Tính tới năm 1999 đã có tới 2,9 triệu công trình hầm khí sinh học gia đình và 2700 công trình hầm khí tập thể xử lý phân người được xây dựng. Ước tính số công trình này hàng năm tiết kiệm 3 triệu tấn củi và 0,7 triệu tấn Urê. Tháng 3 năm 2000, Ấn Độ có 3 triệu công trình hầm khí sinh học. GVHD: Hồ Trọng Du SVTH: Hồ Minh Phú Nguyễn Văn Minh 2 Nghiên cứu và ứng dụng khí sinh học biogas cho động cơ đốt trong - Trung Quốc Lịch sử phát triển khí sinh học ở Trung Quốc bắt đầu từ cuối thế kỷ XIX. Năm 1978 đã xây dựng 7,5 triệu bể với hàng năm tạo ra khoảng 2,5 tỷ m 3 khí mêtan, tương đương 1,5 triệu tấn dầu mỏ. Cho đến năm 1979, trên lãnh thổ Trung Quốc đã có 301 trạm phát điện nhỏ sử dụng khí biogas. Riêng ở tỉnh Sichuan các trạm này có tổng công suất là 1.500kW. Đến 1985, Trung Quốc đã xây dựng được 70 triệu bể khí mêtan. Từ những năm cuối thập kỷ 80 của thế kỷ trước, người ta đã tính toán đến việc sử dụng năng lượng sinh học để thay thế các dạng năng lượng sử dụng nhiên liệu hoá thạch và biogas đã trở thành đối tượng cho chương trình nghiên cứu năng lượng phục vụ nông thôn của Trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng Năng lượng và Công nghệ mới - Bộ Nông nghiệp Trung Quốc (1994). Cuối năm 2003, Trung Quốc có hơn 9,7 triệu hầm cho các hộ gia đình trên toàn quốc. Trên 90% hầm đang hoạt động tốt, sản xuất ra khoảng 2.980.000 m 3 /năm. Biogas chủ yếu được sử dụng vào mục đích đun nấu, thắp sáng và chạy các động cơ phát điện.  Việt Nam. Công nghệ khí sinh học đã được nghiên cứu và ứng dụng ở Việt Nam từ những năm 1960. Lịch sử phát triển công nghệ khí sinh học ở Việt Nam chia thành 4 thời kỳ chính. - Thời kỳ 1960 – 1975: Đã tiến hành thí nghiệm biện pháp sản xuất khí mêtan từ phân động vật nhưng cuối cùng cũng không thành công. Nguyên nhân là do nhập cảnh ồ ạt các loại khí đốt Butan, Propan và phân hóa học. - Thời kỳ 1976 – 1980: Chế tạo thiết bị sản xuất khí sinh học loại nắp nổi bằng tôn, bể phân hủy xây bằng gạch và cổ bể có gioăng nước để giữ kín khí được tích trong nắp chứa khí. Tuy nhiên, việc thử nghiệm trên bị thất bại do kỹ thuật và quản lý. - Thời kỳ 1981 – 1990: GVHD: Hồ Trọng Du SVTH: Hồ Minh Phú Nguyễn Văn Minh 3 Nghiên cứu và ứng dụng khí sinh học biogas cho động cơ đốt trong Trong hai kế hoạch 5 năm (1981-1985 và 1986-1990), công nghệ khí sinh học đã trở thành một trong những lĩnh vực được ưu tiên. Năm 1990, TP Hồ Chí Minh có trên 700 công trình, Đồng Nai có 468 công trình, Hậu Giang có 240 công trình, Hà Bắc có 50, Lai Châu có 40, Quảng Ngãi có 43 công trình . Nói chung toàn quốc có khoảng 2000 công trình. Đa số các công trình đều hoạt động tốt, với thể tích khoảng 2÷200 m 3 . - Thời kỳ 1991 tới nay: Những năm 1991 trở lại đây nhiều nhà khoa học trong nước đã nghiên cứu, triển khai nhiều công trình xử lý chất thải bằng hệ thống khí sinh học biogas (mô hình hình cầu của Viện năng lượng với thể tích 5m 3 , 7m 3 , 8m 3 , 10m 3 , 15m 3 ) đã tạo ra một nguồn phân bón đáng kể, khả năng giải quyết nguồn năng lượng sạch tại chỗ và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Ở miền Trung, Tây Nguyên, hàng loạt các mô hình bể biogas cũng được áp dụng cho các hộ chăn nuôi gia súc, các nông trường chăn nuôi trên địa bàn như mô hình của Trung tâm Năng lượng mới (Sở khoa học công nghệ thành phố Đà Nẵng, mô hình bể biogas phá váng tự động của Phân Viện bảo hộ lao động và Bảo vệ Môi trường miền Trung, Tây nguyên. Nhiều tổ chức quốc tế đang quan tâm phát triển công nghệ ở Việt Nam: họ tổ chức nhiều hội thảo, tài trợ nhiều dự án phát triển năng lượng sinh khối ở nước ta. Các dự án năng lượng sinh khối có cơ hội tận dụng cơ chế phát triển sạch (CDM) để thu hút vốn đầu tư. Nhiều công nghệ đã được hoàn thiện, ứng dụng thương mại nên Việt Nam có thể nhập và ứng dụng, tránh được rủi ro về công nghệ. Hiện nay mô hình xử lý phân gia súc, gia cầm bằng hệ thống biogas đang ngày càng phổ biến ở Việt Nam. Đối với các cơ sở chăn nuôi lớn, hệ thống biogas được xây dựng với quy mô lớn, trình độ kỹ thuật cao, điều kiện giám sát chặt chẽ. Các hệ thống này đem lại tác dụng rất lớn trong việc xử lý phân và nước thải khổng lồ thải ra mỗi ngày, loại bỏ được nguy cơ gây ô nhiễm môi trường, lây lan dịch bệnh cho cộng đồng và sản xuất gas cho các hệ thống phát GVHD: Hồ Trọng Du SVTH: Hồ Minh Phú Nguyễn Văn Minh 4 Nghiên cứu và ứng dụng khí sinh học biogas cho động cơ đốt trong điện nội bộ. Ngoài ra, khi xây dựng hệ thống biogas, người ta thường kết hợp với dây chuyền sản xuất phân hưu cơ, đem lại thêm một nguồn lợi kinh tế đáng kể. Đối với qui mô chăn nuôi hộ gia đình, mô hình xử lý biogas bằng plastic đang phát triển rộng rãi do đặc điểm giá rẻ, dễ lắp đặt và phù hợp với mô hình nông trại kết hợp. Các mô hình nhỏ này giúp các hộ nông dân xử lý được phân và chất thải gia súc, tránh ô nhiễm môi trường, nhất là các khu vực có các hộ chăn nuôi tập trung cao ở miền Bắc, cung cấp gas làm giảm chi phí hoạt động cho gia đình và nước thải ra sau khi xử lý đem bón cho cây trồng rất tốt. Các khu vực đang tập trung nhân rộng mô hình biogas hiện nay: ở niềm Bắc tập trung các huyện Đan Phượng, Quốc Oai (Hà Nội) theo dự án SGP/VN/98/003, ở miền Nam tập trung ở lân cận thành phố Hồ Chí Minh và ở Tây Nam Bộ thì tập trung ở Cần Thơ. 1.2.3 Kết luận. Các nguồn năng lượng dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí đốt thiên nhiên và ngay cả thủy điện là có hạn khiến cho nhân loại có nguy cơ đứng trước việc thiếu năng lượng. Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng gió, năng lượng mặt trời … là một trong những hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng. Nguồn năng lượng sinh khối từ nhiên liệu tái tạo chiếm một vị trí quan trọng trong nguồn năng lượng tổng số nhưng chỉ mới được tận dụng một phần. Chính vì vậy mong rằng nhà nước ta chú trọng nghiên cứu sâu hơn nữa về nguồn năng lượng này để thay thế kịp thời nguồn nhiên liệu truyền thống có nguy cơ cạn kiệt và tăng cao hiệu quả kinh tế. GVHD: Hồ Trọng Du SVTH: Hồ Minh Phú Nguyễn Văn Minh 5 Nghiên cứu và ứng dụng khí sinh học biogas cho động cơ đốt trong Chương 2. ĐẶC TÍNH KHÍ BIOGAS. 2.1 Tính chất vật lý. Tính chất vật lý của biogas có ảnh hưởng lớn đến việc lựa chọn công nghệ sử dụng cho việc xử lý và đốt cháy biogas. Thành phần chính của biogas là CH 4 và CO 2 . Các tính chất vật lý liên quan đến chúng và sẽ được liệt kê sau đây: (bảng 2.1). Bảng 2.1 Một số tính chất của biogas [2], [6] Các tính chất vật lý Methane (CH 4 ) Carbon Dioxide (CO 2 ) Trọng lượng phân tử 16,04 44,01 Tỷ trọng 0,554 1,52 Điểm sôi (1at) 144 0 C 60,8 0 C Điểm đông (1at) -164,8 0 C -38,83 0 C Khối lượng riêng 0,66 kg/m 3 1,82 kg/m 3 Nhiệt độ nguy hiểm 64,44 0 C 48,89 0 C Áp suất nguy hiểm 45,8 at 72,97at Nhiệt dung C p (1at) 6,962.10 -4 J/ kg- 0 C 2,643.10 -4 J/ kg- 0 C Tỷ lệ C p /C v 1,307 1,303 Nhiệt cháy 55,432 J/kg ─── Giới hạn cháy 5-15% Thể tích ─── Tỷ lệ cháy hoàn toàn trong không khí 0,0947 Thể tích 0,0581 Khối lượng ─── 2.1.1 Nhiệt trị và khối lương riêng. - Nhiệt trị của nhiên liệu là nhiệt lượng giải phóng ra khi đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu và sản phẩm được làm nguội tới điều kiện tiêu chuẩn, đơn vị đo là kJ/kg hoặc MJ/kg. GVHD: Hồ Trọng Du SVTH: Hồ Minh Phú Nguyễn Văn Minh 6 Nghiên cứu và ứng dụng khí sinh học biogas cho động cơ đốt trong - Nhiệt trị Thấp Qh: là nhiệt lượng thu được khi đốt cháy hoàn toàn 1 đơn vị khối lượng (1 kg) hoặc 1 đơn vị thể tích (1 m 3 ). Qh = Qo – 2,512 x (9H - W) MJ/kg. Trong đó: Qo – nhiệt trị cao; 2,512 MJ/kg – Nhiệt ẩn hóa hơi của 1 kg hơi nước 9H – Lượng hơi nước hình thành khi đốt cháy H kg Hydro có trong 1 kg nhiên liệu. W – Lượng hơi nước chứa trong 1 kg nhiên liệu. . - Nhiệt trị Cao Qo: là nhiệt lượng thu được khi đốt cháy hoàn toàn 1 đơn vị khối lượng (1kg) nhiên liệu có kể cả số nhiệt lượng tỏa ra do ngưng tụ hơi nước chứa trong sản phẩm cháy khi ta làm lạnh nó đến nhiệt độ bằng nhiệt độ trước khi cháy. Vì vậy, Qh thấp hơn Qo một trị số = nhiệt ẩn hóa hơi của nước chứa trong sản phẩm cháy. Thông thường biogas có nhiệt trị khoảng 37-50 MJ/kg. Nhiệt trị phụ thuộc vào lượng khí mêtan có trong thành phần của khí biogas. Lượng khí CH 4 chiếm thể tích càng lớn thì nhiệt trị càng cao (hình 2.1). Hình 2.1 Nhiệt trị của biogas theo khối lượng riêng và phần trăm thể tích CH 4 [3]. - Khối lượng riêng của CH 4 : 0,66 kg/m 3 GVHD: Hồ Trọng Du SVTH: Hồ Minh Phú Nguyễn Văn Minh 7 Nghiên cứu và ứng dụng khí sinh học biogas cho động cơ đốt trong BG P Hình 2.2 Khối lượng riêng của khí biogas theo nhiệt độ và áp suất [3]. 2.1.2 Giới hạn cháy. Giới hạn cháy của biogas là giới hạn dưới và giới hạn trên hàm lượng biogas (% thể tích biogas) trong hỗn hợp biogas/không khí mà hỗn hợp có thể cháy. Giới hạn cháy của biogas phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng CH 4 trong khí biogas. Hình 2.3 Giới hạn cháy phụ thuộc vào % thể tích CH 4 và hơi nước trong khí biogas [3]. Từ đồ thị (hình 2.3) ta thấy rằng hàm lương khí mêtan trong khí biogas tăng thì giới hạn cháy giảm, giới hạn cháy là một thông số quan trong trong việc thiết kế bộ hòa trộn biogas/ không khí của thiết bị - động cơ nhiệt, cũng như hệ thống chống và báo cháy biogas trong hệ thống lưu trữ và phân phối biogas. GVHD: Hồ Trọng Du SVTH: Hồ Minh Phú Nguyễn Văn Minh 8 Nghiên cứu và ứng dụng khí sinh học biogas cho động cơ đốt trong 2.1.3 Nhiệt độ cháy cao nhất. Nhiệt độ cháy cao nhất của hỗn hợp biogas/không khí là một thông số quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất nhiệt, nhiệt độ của thiết bị - động cơ nhiệt và hàm lượng NO x trong khí thải của các thiết bị động cơ nhiệt. Hình 2.4 Nhiệt độ cháy phụ thuộc vào % thể tích CH 4 và hơi nước trong khí biogas[3]. Từ đồ thị (hình 2.4) ta thấy rằng % CH 4 trong biogas càng lớn thì nhiệt độ cháy càng cao. Nhiệt độ cháy là một thông số quan trọng trong việc thiết kế kết cấu buồng cháy, hệ thống làm mát, hệ thống bôi trơn, hệ thống thải,… của thiết bị- động cơ nhiệt. 2.1.4 Nhiệt độ tự cháy và chỉ số octane. Nhiệt độ tự cháy là nhiệt độ mà ở đó vật chất tự cháy mà không cần sự hiện diện của tia lửa hay ngọn lửa mồi. CH 4 là nhiên liệu khí có nhiệt độ tự cháy rất cao, nên biogas có nhiệt độ tự cháy cao khoảng 482-632 °C. Với nhiệt độ tự cháy cao như vậy CH 4 được đánh giá là nhiên liệu có khả năng cháy chống kích nổ cao với chỉ số octane 120. Bảng 2.2 Nhiệt độ tự cháy của các nhiên liệu [3]. Nhiên liệu Nhiệt độ tự cháy Chỉ số octane Chỉ số cetane GVHD: Hồ Trọng Du SVTH: Hồ Minh Phú Nguyễn Văn Minh 9 Nghiên cứu và ứng dụng khí sinh học biogas cho động cơ đốt trong ( o C) ( o F) Methane 580 1076 120 - Butane 420 788 109 - Propane 480 842 109 - Diesel 256 494 - 45 - 60 Xăng 280 536 83 - 95 - 2.1.5 Vận tốc cháy. Vận tốc cháy của hỗn hợp biogas/không khí là vận tốc lan truyền màng lửa trong hỗn hợp biogas/không khí. Thông số này quyêt định đến kết cấu buồng cháy của thiết bị cháy, thời điểm đánh lửa hoặc thời điểm phun nhiên liệu mồi. Vận tốc ngọn lửa phụ thuộc vào % thể tích CH 4 trong hỗn hợp biogas/ không khí và % thể tích CO 2 trong biogas. Hình 2.5 Vận tốc cháy phụ thuộc vào lượng CH 4 , CO 2 trong khí biogas.[3]. Từ đồ thị (hình 2.5) ta thấy rằng hàm lượng CO 2 tăng thì vận tốc lan tràn màng lửa sẽ giảm. Tuy nhiên, vận tốc lan truyền màng lửa của hỗn hợp biogas/ không khí không biến đổi tuyến tính theo sự thay đổi hàm lượng CH 4 trong hỗn hợp, và vận tốc lan truyền màng lửa đạt giá trị lớn nhất khi % thể tích CH 4 khoảng 9%-10% thể tích hỗn hợp. 2.2 Tính chất hóa học. 2.2.1 Công thức phân tử: CH 4 GVHD: Hồ Trọng Du SVTH: Hồ Minh Phú Nguyễn Văn Minh 10 Nghiên cứu và ứng dụng khí sinh học biogas cho động cơ đốt trong