Khảo sát hoạt động của máy phát điện công suất 10 KVA sử dụng nguyên vật liệu khí Biogas ủ từ phân heo

Khảo sát hoạt động của máy phát điện công suất 10 KVA sử dụng nguyên vật liệu khí Biogas ủ từ phân heo

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM T P HỒ CHÍ MINH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

*************

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN

CÔNG SUẤT 10 KVA SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ BIOGAS Ủ TỪ PHÂN HEO

NGÀNH HỌC: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Niên khóa: 2003-2007

Sinh viên thực hiện: ĐẶNG BÌNH AN

Thành phố Hồ Chí Minh Tháng 9 /2007

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

*************

KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT 10 KVA SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIOGAS

Ủ TỪ PHÂN HEO

Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực hiện

Thành phố Hồ Chí Minh Tháng 9/2007

 TS.Dương Nguyên Khang Khoa Chăn Nuôi Thú Y đã hết lòng hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đề tài

 Th S Nguyễn Đình Hùng Bộ môn Ô tô – máy động lực trường Đại học Bách Khoa đã hết lòng hướng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện đề tài

 Gia đình anh Huỳnh Công Bằng đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đề tài

 Các anh chị tại trung tâm biogas trường Đại học Nông Lâm TPHCM đã tận tình giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đề tài

 Các bạn bè thân yêu của lớp công nghệ sinh học khóa 29 đã chia xẻ cùng tôi những vui buồn trong thời gian học cũng như hết lòng hỗ trợ, giúp đỡ tôi trong thời gian thực tập

 Các bạn bè ngoài lớp đã động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và thực tập tốt nghiệp

2.TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

2.1 Lý thuyết vê biogas 3

2.1.1 Sơ lược về biogas 3

2.1.2 Các sản phẩm của hệ thống biogas 4

2.1.2.1 Khí đốt 4

2.1.2.2 Phân bón 4

2.1.3 Cơ chế tạo thành khí sinh học trong hệ thống biogas 4

2.1.4 Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo khí biogas 5

2.1.4.1 Điều kiện kỵ khí tuyệt đối 5

v

2.1.5.1 Cải thiện vệ sinh môi trường nông thôn 8

2.1.5.2 Xử lý chất thải nông nghiệp và thành phố 8

2.1.5.3 Giảm phát thải khí nhà kính 9

2.1.6 Tính chất của khí biogas 9

2.1.6.1 Tính chất vật lý 9

2.1.6.2 Tính chất hoá học 10

2.1.7 Tiềm năng và ứng dụng của biogas 12

2.1.7.1 Tiềm năng phát triển của biogas 12

2.1.8.4 Hầm ủ dạng bê tông composit 14

2.2 Lý thuyết cơ bản về động cơ đốt trong 14

2.2.1 Định nghĩa 14

2.2.2 Khái niệm động cơ đốt trong 4 kỳ 15

2.2.3 Cấu tạo động cơ đốt trong 16

2.2.4 Cấu tạo động cơ đã được chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu biogas 20

2.2.5 Khí thải của động cơ đốt trong 20

2.5.1 Oxit cacbon 21

2.5.2 NOx H2S và SO2 21

2.5.3 Các chất hydrocacbua 22

2.5.4 Các hợp chất của chì 22

4 Kết quả và thảo luận 26

4.1 Ảnh hưởng của tốc độ vận hành máy và nhiên liệu lên nồng độ khí thải, hiệu điện thế và lượng nhiên liệu tiêu thụ ở chế độ không tải 26

4.2 Ảnh hưởng của tốc độ vận hành máy và nhiên liệu lên nồng độ khí thải, hiệu điện thế và lượng nhiên liệu tiêu thụ ở chế độ có tải 30

4.3 Hiệu quả kinh tế khi sử dụng biogas 35

vii

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Thành phần hoá học khí biogas 4

Bảng 2.2 Điều kiện thích hợp cho quá trình phân hủy kị khí 7

Bảng 2.3 Hàm lượng các chất ức chế quá trình lên men yếm khí 7

Bảng 2.4 Hiệu quả xử lý phân của hệ thống biogas 8

Bảng 2.5 Bảng thống kê số lượng khí biogas sinh ra từ phân gia súc 12

Bảng 2.6 Bảng thống kê số lượng phân trong ngày của gia súc 12

Bảng 2.7 Hàm lượng các chất trong khí thải động cơ 21

Bảng 4.1 Ảnh hưởng của tốc độ vận hành máy và nhiên liệu lên nồng độ khí thải, hiệu điện thế và lượng nhiên liệu tiêu thụ ở chế độ không tải 27

Bảng 4.2 Bảng tiêu chuẩn khí thải Euro 1 và Euro 2 đối với động cơ xăng 26

Bảng 4.3 Ảnh hưởng của tốc độ vận hành máy và nhiên liệu lên nồng độ khí thải, hiệu điện thế và lượng nhiên liệu tiêu thụ ở chế độ có tải 31

Bảng 4.4 Bảng giá điện tạo ra khi chạy máy bằng biogas hoặc xăng 35

Bảng 4.5 Bảng giá thành một số loại hầm biogas 35

viii

DANH SÁCH CÁC HÌNH VÀ SƠ ĐỒ

Hình 2.1 Sơ đồ phân hủy kỵ khí tạo CH4 5

Hình 2.2 Sơ đồ chu chuyển CO2 9

Hình 2.3 Các kỳ của động cơ đốt trong 4 kỳ 16

Chương 1 MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề

Hiện nay, trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng, nhu cầu năng lượng về dầu mỏ nhằm đáp ứng nhu cầu cho các hoạt động sống của con người ngày càng lớn, nhưng khả năng cung cấp nó thì ngày càng giảm Người ta dự tính khoảng 100 năm nữa nguồn năng lượng từ thiên nhiên như dầu mỏ, than đá … sẽ cạn kiệt Đây thật sự là một thách thức to lớn đối với toàn thể ngành năng lượng của thế giới mà trong đó có Việt Nam Vậy làm sao có nguồn năng lượng khác để thay thế cho nguồn năng lượng truyền thống là điều mà nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu ứng dụng từ lâu Riêng đối với Việt Nam là một nước đang phát triển, đời sống nhân dân còn nhiều khó khăn cộng với những vấn đề về môi trường nên nguồn năng lượng mới phải đáp ứng thêm hai yêu cầu sạch và rẽ tiền

Phân tích đặc điểm của nền kinh tế, và phát triển khoa học kỹ thuật của đất nước, chúng ta nhận thấy Việt Nam là nước đang trong giai đoạn công nghiệp hoá, hiện đại hoá có nền nông nghiệp phát triển Trong đó chăn nuôi quy mô lớn ngày càng phát triển, vì thế số lượng chất thải vô cùng lớn Hiện nay người dân thường sử dụng phân chuồng bón cho cây trồng hoặc dùng làm thức ăn cho cá, gia súc… Điều đó rất có hại cho môi trường và lãng phí bởi vì phân bò, phân heo khi cho ủ lên men trong điều kiện yếm khí sẽ tạo ra một lượng khí mêtan (CH4) có thể dùng để đốt cháy như khí gas thiên nhiên Ngoài ra, thiết kế hệ thống biogas còn giúp giảm đáng kể tác hại ô nhiễm môi trường do chăn nuôi Hơn nữa, khí mêtan cũng có thể được sử dụng để sản xuất nguồn năng lượng quan trọng khác là năng lượng điện Trên cơ sở đó, được sự đồng ý của bộ môn Công nghệ sinh học và sự hướng dẫn tận tình của Tiến sĩ Dương

Nguyên Khang, chúng tôi tiến hành đề tài: “Bước đầu khảo sát hoạt động của máy phát điện loại 10 kVA chạy bằng nhiên liệu khí biogas được ủ từ phân heo”

1.2 Mục đích và yêu cầu 1.2.1 Mục đích

Tận dụng gas sinh ra từ phân heo được lên men yếm khí để chạy máy phát điện loại 10 kVA để sản xuất điện

Chương 2 TỔNGQUAN TÀI LIỆU

2.1 Lý thuyết về biogas 2.1.1 Sơ lược về biogas

Biogas, còn được gọi là khí sinh học, được phát hiện vào cuối thế kỷ 18 là sản phẩm thu được sau một loạt các quá trình phân hủy các chất hữu cơ phức tạp trong điều kiện môi trường không có oxy thành các chất hữu cơ đơn giản hơn dưới tác dụng của các vi sinh vật kỵ khí Biogas chứa chủ yếu là mêtan (50 - 70%) và CO2 (25 - 50%) và các tạp chất khác như H2S, CO, NOx…Trong đó mêtan (CH4) được mệnh danh là nhiên liệu sạch, có nhiệt trị cao Một m3

CH4 khi đốt cháy toả ra một nhiệt lượng tương đương với 1,3 kg than đá; 1,15 lít xăng; 1,17 lít cồn; hay 9,7 kW điện [9]

Ở Việt Nam đến cuối thập niên 70 thì biogas mới bắt đầu được chú ý, do tình hình thiếu hụt năng lượng và xu hướng đi tìm nguồn năng lượng mới, trong đó sự phát triển khí sinh học từ hầm ủ được đặc biệt chú ý Tuy nhiên, đến những năm gần đây, túi ủ khí làm bằng nylon mới thực sự phát triển và được áp dụng rộng rãi trên cả nước Ưu điểm là giá thành rẻ, dễ lắp đặt và phù hợp với mô hình chăn nuôi hộ gia đình Hệ thống biogas đã xử lý rất tốt nguồn nước thải trong chăn nuôi, cung cấp nước tưới sạch và phân bón tốt cho trồng trọt Bên cạnh đó, người dân có thể tận dụng nguồn khí mêtan làm khí đốt cho gia đình cũng như làm nguồn nhiên liệu cho các động cơ nhỏ như: máy phát điện, mô tơ…góp phần nâng cao kinh tế cho nhà nông

Biogas là hỗn hợp nhiều loại khí khác nhau gồm mêtan (CH4), cacbon dioxit (CO2), hydro sulfit (H2S), nitơ (N2), và một lượng nhỏ các tạp khí khác Hỗn hợp các loại khí trên sinh ra từ quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ trong môi trường yếm khí [2]

 Thành phần của biogas

Bảng 2.1 Thành phần hoá học khí biogas

CH4 50 - 70 % thể tích CO2 20 - 50 % thể tích Hơi nước 0,3 % thể tích

O2 0 - 2 % thể tích NH3 0 - 1 % thể tích

H2S 50 - 5000 ppm Chất khác < 1 % thể tích

2.1.2 Các sản phẩm của hệ thống biogas 2.1.2.1 Khí đốt

Thành phần khí đốt của hệ thống biogas bao gồm 60 - 70% CH4; 25 - 40% CO2là một nguồn nguyên liệu mới thay thế cho than, củi, dầu… không để lại muội than hoặc tro bếp nên việc làm vệ sinh dụng cụ nấu nướng cũng dễ dàng hơn, nâng cao chất lượng cuộc sống cho con người Khí biogas cháy hoàn toàn và có hiệu suất cao hơn trong các lò đốt dầu tạo nhiệt, bởi vì nhiên liệu dầu đốt lò cần phải phun dầu trước khi đốt Người ta ghi nhận rằng nhiệt năng tạo ra từ 1 lít dầu HFO là 40,9 MJ/lít, trong lúc của khí mêtan là 35,9 MJ/m3 Như vậy 1,1 m3 mêtan có thể thay thế 1 lít dầu HFO Tuy nhiên, trong thực tế do hiệu suất đốt lớn hơn trong lò đốt dầu nên chỉ cần 1 m3

mêtan là đủ thay thế cho 1 lít dầu HFO [7]

2.1.2.2 Phân bón

Thành phần của cặn nước thải sau khi qua hệ thống biogas có các chất dinh dưỡng thấp hơn được dùng làm phân bón hoặc làm thức ăn cho cá Đặc biệt theo một số nghiên cứu cho thấy số lượng ấu trùng và giun sán giảm rõ rệt so với phân tươi, do đó an toàn hơn khi dùng nước thải này để tưới cây

2.1.3 Cơ chế tạo thành khí sinh học trong hệ thống biogas

Sự tạo thành khí sinh học là một quá trình lên men phức tạp xảy ra qua nhiều phản ứng, cuối cùng tạo ra CH4 và CO2 và một số chất khác Quá trình này được thực hiện theo nguyên tắc phân hủy kỵ khí, dưới tác động của các vi sinh vật yếm khí để

phân hủy những chất hữu cơ ở dạng phức tạp chuyển thành dạng đơn giản là chất khí và các chất khác

Sự phân hủy kỵ khí diễn ra qua nhiều giai đoạn tạo ra hàng ngàn sản phẩm trung gian nhờ sự hoạt động của nhiều chủng loại vi sinh vật đa dạng Đó là sự phân hủy protêin, tinh bột, lipid để tạo thành acid amin, glyceryl, acid béo, acid béo bay hơi, methylamin, cùng các chất độc hại như tomain (độc tố thịt thối), sản phẩm bốc mùi như indole, scatole Ngoài ra còn có các liên kết cao phân tử mà nó không phân hủy được bởi vi khuẩn yếm khí như lignin

Hình 2.1 Sơ đồ phân hủy kỵ khí tạo CH4 2.1.4 Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo khí biogas 2.1.4.1 Điều kiện kỵ khí tuyệt đối

Sự lên men để phân hủy một hợp chất hữu cơ trong bình ủ đòi hỏi phải ở điều kiện kỵ khí hoàn toàn, vì sự có mặt của oxy sẽ ảnh hưởng lớn đến khả năng hoạt động của nhóm vi sinh vật tạo khí, sự tạo khí có thể giảm hay ngừng hẳn

2.1.4.2 Nhiệt độ

Nhiệt độ cũng làm thay đổi quá trình sinh gas trong bình ủ, vì nhóm vi sinh vật yếm khí rất nhạy cảm với nhiệt độ Chúng hoạt động tối ưu ở nhiệt độ 310

C -360C, dưới 100C nhóm vi khuẩn này hoạt động yếu, dẫn đến áp lực gas sẽ yếu đi Tuy nhiên, nhiệt độ cho chúng hoạt động cũng có thể thấp hơn nhiệt độ tối ưu, trung bình vào khoảng 200

C - 300C cũng thuận lợi cho chúng hoạt động Nhóm vi khuẩn sinh khí

mêtan rất nhạy cảm với sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ Nhiệt độ thay đổi cho phép hằng ngày là 10C (UBKHKT Đồng Nai - 1989)

2.1.4.5 Thời gian ủ

Thời gian ủ dài hay ngắn tùy thuộc vào lượng khí sinh ra Với nhiệt độ, độ pha loãng, tỉ lệ các chất dinh dưỡng thích hợp thì thời gian ủ khoảng 30 - 40 ngày (UBKHKT Đồng Nai, 1989)

2.1.4.6 Hàm lƣợng chất rắn

Hàm lượng chiếm dưới 9 % thì hoạt động của túi ủ sẽ tốt Hàm lượng chất rắn thay đổi trong khoảng 7 - 9 % và phụ thuộc vào khả năng sinh gas tốt hay xấu Ở Việt Nam vào mùa khô nhiệt độ cao sự phân hủy tốt, nên hàm lượng chất rắn trong bình giảm, vì thế việc cung cấp chất rắn cao hơn có thể chấp nhận được và ngược lại (UBKHKT Đồng Nai,1989)

2.1.4.7 Thành phần dinh dƣỡng

Để dảm bảo quá trình sinh khí diễn ra bình thường, liên tục thì phải cung cấp đầy đủ nguyên liệu cho quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật Thành phần chính của nguyên liệu là cacbon (ở dạng cacbonhydrate, tạo năng lượng) và nitơ (ở dạng nitrate, protein, amoniac tham gia vào cấu trúc tế bào)

Để đảm bảo sự cân đối dinh dưỡng cho hoạt động của vi sinh vật kỵ khí thì cần chú ý đến tỉ lệ C/N Tỉ lệ thích hợp là từ 25/1 - 30/1 (UBKHKT Đồng Nai, 1989)

Bảng 2.2 Điều kiện thích hợp cho quá trình phân hủy kỵ khí

Nhiệt độ

Tiến trình mesophylic 950F Tiến trình Thermophylic 1300F

Tỉ lệ các chất dinh dưỡng 0,15 - 0,35 Ib VS/ft3/d Sản lượng biogas 3 - 8 ft3/Ib VS

2.1.4.8 Các chất gây trở ngại cho quá trình lên men

Vi khuẩn sinh mêtan rất dễ bị ảnh hưởng bởi các độc tố và các hợp chất vô cơ Theo nghiên cứu của Nguyễn Việt Năng hàm lượng các chất sau có khả năng ức chế quá trình lên men của vi sinh vật kỵ khí

Bảng 2.3 Hàm lƣợng các chất ức chế quá trình lên men yếm khí [2]

Tên hóa học Hàm lượng

Ngoài các yếu tố trình bày ở trên lượng gas sinh ra còn phụ thuộc vào một số yếu tố khác như chiều dài và chiều rộng túi ủ, loại phân…

2.1.5 Ảnh hưởng của biogas đến môi trường 2.1.5.1 Cải thiện vệ sinh môi trường nông thôn

Các thiết bị khí sinh học gia đình thường được nối với nhà xí Phân người và động vật được đưa vào đây để xử lý nên hạn chế mùi hôi thối, ruồi nhặng không có chỗ để phát triển nên hạn chế bớt những dịch bệnh truyền nhiễm như sốt xuất huyết, dịch tả…

Hệ thống biogas đã xử lý rất tốt lượng chất thải của gia súc Nó làm giảm đáng kể những mầm bệnh, lượng vi sinh vật có trong chất thải vật nuôi Khi chất thải được xử lý bằng biogas mùi hôi sẽ giảm, ký sinh trùng và vi khuẩn gây bệnh bị tiêu diệt đáng kể (Ủy Ban Khoa Học Kỹ Thuật Đồng Nai, 1989)

Bảng 2.4 Hiệu quả xử lý phân của hệ thống biogas

(Nguyễn Thị Hoa Lý, 1994 Trích dẫn Nguyễn Thị Hà Mỹ, 2002) Chỉ tiêu Trước khi xử lý Sau khi xử lý

2.1.5.2 Xử lý chất thải nông nghiệp và thành phố

Xử lý kỵ khí ở quy mô tập trung lớn các chất thải có hàm lượng chất hữu cơ cao như rác thải, nước cống sinh hoạt, nước thải các lò mổ các trại chăn nuôi tập trung, các nhà máy rượu bia… có nhiều ưu điểm như diện tích đất sử dụng nhỏ, ít để lại cặn bùn, không tiêu tốn nhiều năng lượng… Ngoài ra, nó còn thu hồi được khí sinh học để phục vụ chạy máy phát điện Nước rác được xử lý bằng bể phản ứng khí sinh học khắc phục được ô nhiễm do nước rác thấm vào đất

2.1.5.3 Giảm phát thải khí nhà kính

Các chất thải hữu cơ trong điều kiện tự nhiên sẽ bị phân hủy một phần là kỵ khí cho ra mêtan phát tán vào khí quyển Khí mêtan là khí gây hiệu ứng nhà kính lớn hơn khí cacbonic Một tấn khí mêtan tương đương 21 tấn khí cacbonic về hiệu ứng nhà

kính Nếu các chất thải hữu cơ này phân hủy kỵ khí trong các hầm ủ thì mêtan sẽ được thu lại làm nhiên liệu Khi bị đốt cháy mêtan chuyển hóa thành cacbonic Một tấn mêtan sẽ chuyển hóa thành 2,75 tấn khí cacbonic Như vậy tác dụng về hiệu ứng nhà kính giảm đi 7,6 lần Ngoài ra, sử dụng khí sinh học thay thế cho củi sẽ bảo vệ rừng là nguồn hấp thụ cacbonic cũng như chống xói mòn bảo vệ đất [7]

Lượng CO2 này sẽ được cây xanh hấp thụ chuyển hóa thành tinh bột dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời rồi cung cấp trở lại cho động vật Chất thải thu được từ động vật chính là nguyên liệu cung cấp cho hệ thống biogas Lượng nước thải sau khi xử lý bằng hệ thống biogas cũng được sử dụng để bón cho cây trồng giảm nguy cơ ngộ độc cho con người khi dùng những sản phẩm của cây trồng như rau, hoa quả… Tất cả được thể hiện qua sơ đồ 2.2

Hình 2.2 Sơ đồ chu chuyển CO22.1.6 Tính chất của khí biogas

2.1.6.1 Tính chất vật lý

Khối lượng riêng 1,2 kg/m3Nhiệt độ bắt lửa 7000C Thể tích tăng khi cháy 6 - 12 %

2.1.6.2 Tính chất hoá học của khí biogas

Do biogas là hỗn hợp gồm nhiều chất nên nó mang tính chất hoá học của từng chất có trong thành phần biogas

 Mêtan (CH4)

Mêtan thuộc nhóm parafin có công thức cấu tạo chung CnH2n+1  Tính chất vật lý

Mêtan là chất khí không màu, không mùi và nhẹ hơn không khí Nhiệt độ đông đặc - 182,50C, nhiệt độ hoá lỏng - 161,60C Ở 250C, áp suất 1 atm, mêtan có khối lượng riêng 0,660 kg/m3

 Tính chất hoá học

 Khí nitơ (N2)

 Tính chất vật lý

Niơ là chất khí không màu, không mùi, không vị Khối lượng riêng của nitơ là 1,146 kg/m3 ở 250C, 1 atm Khí nitơ tồn tại ở khắp nơi, chiếm 78,084 % theo thể tích không khí Nitơ đông đặc ở 63,340K và hoá lỏng ở 77,40K

 Tính chất hoá học

Ở nhiệt độ bình thường, trong không khí, khí nitơ không phản ứng với các chất khác Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao (khoảng 16000C) nitơ phản ứng với O2 có trong không khí tạo thành các NOx Tuỳ thuộc vào lượng O2 tham gia phản ứng mà chất tạo thành có thể là N2O, NO, NO2, N2O5…

 Tính chất hoá học

Ở nhiệt độ cao amoniac kết hợp với oxy để tạo thành các hợp chất NOx Ví dụ phản ứng sau xảy ra ở 8500C và cần có xúc tác

4 NH3 +5 O2 = 4 NO + 6 H2O

 Khí hydro sulfua (H2S)

 Tính chất vật lý

Là chất khí không màu, có mùi trứng thối Khối lượng riêng 1,363 Kg/m3, nhiệt độ đông đặc - 82,30C, nhiệt độ hoá lỏng - 60,280C H2S có thể hoà tan vào nước tạo dung dịch acid H2S nhưng độ hoà tan thấp Ở 400

C 0,25 g H2S hoà tan hoàn toàn vào 100 ml nước

 Tính chất hoá học

H2S là khí độc ảnh hưởng đến sức khoẻ con người Lượng H2S trong không khí dưới 0,0047 ppm người ta ngửi thấy mùi trứng thối; trên 1000 ppm ảnh hưởng nghiêm trọng đến đường hô hấp H2S là khí của acid yếu, ít có khả năng ăn mòn kim loại Tuy nhiên, ở nhiệt dộ cao H2S phản ứng với oxi, tạo ra các hợp chất có tính acid mạnh hơn, có thể ăn mòn kim loại rất nhanh

2 H2S + 3 O2 = 2 H2SO3H2S + 2 O2 = H2SO4

Thành phần H2S trong biogas có khả năng làm mòn động cơ, do đó khi sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong người ta phải tiến hành khử, lọc và loại bỏ H2S

 Hơi nước

Trong không khí luôn luôn tồn tại một lượng hơi nước nên thành phần của biogas cũng chứa một lượng hơi nước đáng kể có ảnh hưởng đến quá trình cháy làm giảm lượng nhiệt sinh ra

 Các thành phần khác

Trong biogas còn có một số loại khí khác nhưng chỉ chiếm một lượng nhỏ, không đáng kể và cũng không gây ảnh hưởng đến tính chất của biogas

2.1.7 Tiềm năng và ứng dụng của biogas 2.1.7.1 Tiềm năng phát triển của biogas

Nước ta là một nước nông nghiệp phát triển có số lượng vật nuôi rất lớn với gần 5 triệu con bò, 3 triệu con trâu và 23 triệu con lợn nên lượng phân ủ yếm khí biogas rất lớn

Bảng 2.5 Năng suất khí biogas sinh ra từ phân gia súc

Loại phân Lượng khí biogas sinh ra (m3/ tấn phân)

Thành phần mêtan (% thể tích)

50 - 60

Bảng 2.6 Bảng thống kê số lƣợng phân trong ngày của gia súc

Lượng khí bigas có thể thu được trong một ngày từ trâu và bò:

(3.000.000 + 5.000.000) x 14 x 0,36 = 4.032.000 m3 gas/ ngày (1 kg phân trâu, bò ủ yếm khí sẽ sinh ra 0,036 m3 gas.) Lượng khí biogas có thể thu được trong 1 ngày từ heo:

23.000.000 x 2,44 x 0,045 = 2.525.400 m3 gas/ngày (1 kg phân heo ủ yếm khí sẽ sinh ra 0,045 m3gas)

Tổng lượng gas có thể lấy được: 4.032.000 + 2.525.400 = 6.557.400 m3 gas/ngày Như vậy nếu tận dụng tốt, nguồn biogas này có thể cho ta nguồn năng lượng tương đương với 1,15 x 6.557.400 = 7.541.010 lít xăng/ngày Điều này làm giảm được một lượng chi phí đáng kể trong việc nhập khẩu xăng dầu của cả nước, giảm áp lực cho ngành kinh tế đồng thời có thể chủ động được nguồn năng lượng Mặt khác, việc sử dụng nhiên liệu biogas còn làm giảm đáng kể lượng khí thải thoát ra từ động cơ so với nhiên liệu truyền thống; đảm bảo cho môi trường xanh, sạch

Vật nuôi Lượng phân (kg/ngày)

2.1.7.2 Ứng dụng của biogas  Trong nước

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

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]

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