L ời cam đoan
3.3 Nhiên liu biogas sử dụng trê nđ ng cơ
Biogas đư và đang được các nước trên thế giới cũng như ở Việt Nam phát triển một cách rộng rãi. Chúng ta có thể sử dụng nó để đun nấu, thắp sáng và làm nhiêu liệu cho động cơ đốt trong. Sử dụng Biogas làm nhiên liệu cho phép giải quyết đồng thời vấn đề ô nhiễm khi sản xuất Biogas và thay thế nhiên liệu truyền thống [12].
Trên thế giới, việc nghiên cứu và ứng dụng Biogas đư xuất hiện từ lâu. Phát triển mạnh nhất là ở các nước: Trung Quốc, n Độ, Thụy Điển, Đức, Đan Mạch…
Trung Quốc, tổng sản lượng Biogas của cả nước là 2000 triệu m3/năm. Biogas chủ yếu được sử dụng vào mục đích đun nấu, thắp sáng hay chạy các động cơ phát điện. Cho đến năm 1979, Trung Quốc đư có 301 trạm phát điện nhỏ sử dụng Biogas. n Độ, chương trình năng lượng và và nước sạch nông thôn đư được triển khai từ những năm 90 của thế kỷ trước. Hàng năm có khoảng 200.000 hộ gia đình n Độ chuyển từ sử dụng năng lượng củi đốt sang sử dụng Biogas. Cho đến nay n Độ đư có đến hơn 2.000.000 trạm Biogas [12].
Châu Âu, người ta đư 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 đư được nghiên cứu và ứng dụng ở Đan Mạch, Đức, Thụy Điển…
Bảng 3.8: Thống kê việc sử dụng nhiên liệu sinh học và khí cho động cơ ở Châu Âu
58
Trong những năm gần đây, người dân ở nông thôn nước ta đư bắt đầu quen dần với việc sử dụng biogas làm chất đốt. Các hầm biogas này một mặt cung cấp chất đốt cho người dân, mặt khác giúp người dân xử lý các chất thải từchăn nuôi và các hoạt động sản xuất khác, góp phần bảo vệ tài nguyên và môi trường.
Tuy nhiên việc sử dụng biogas để đun nấu chỉ mới đáp ứng được một phần tiện ích vì người dân cần nhiều năng lượng hơn để chạy các máy phát lực phục vụ sản xuất. Vì vậy việc sử dụng biogas để chạy động cơ đốt trong cỡ nhỏ sẽ góp phần đáng kể vào việc cải thiện đời sống của người dân ở nông thôn.
Các công trình nghiên cứu để ứng dụng Biogas vào các mục đích khác như sản xuất điện năng, thắp sáng, cấp nước vẫn còn bỏ ngỏ. Có thể nói đây là các mục đích sử dụng Biogas hiệu quả hơn đối với nước ta khi mà chúng ta vẫn còn thiếu điện, đặc biệt là ở các khu vực vùng sâu, vùng xa.
Gần đây, để đáp ứng yêu cầu ngày càng khắt khe của công tác bảo vệ môi trường, các nhà sản xuất đư không ngừng hoàn thiện động cơ đốt trong. Tuy đư có nhiều nỗ lực nhưng cho đến nay kết quả vẫn còn xa với mong đợi của các nhà bảo vệ môi trường. Cho đến nay động cơ sử dụng Biogas vẫn chưa được nghiên cứu tỷ mỉở Việt Nam.
Từ những lý do nêu trên, một loại động cơ có thể sử dụng nhiên liệu Biogas là giải pháp tốt trong việc sử dụng nguồn năng lượng dồi dào này ở khu vực nông thôn của Việt Nam.
3.3.1 Các thành phần hóa h c trong biogas
Khí sinh học Biogas là tổ hợp Metan (CH4), Cacbonic (CO2) và các sản phẩm khác được sản xuất ra từ quá trình phân huỷxác động vật và các chất hữu cơ trong điều kiện ím khí, các chất thải sẽ phát tán khí Metan. Nhiệt độ phát tán khí Metan lúc phân huỷ là 113 – 141 0F.
Các loại chất thải có thể làm nguồn cung cấp cho quá trình sản xuất khí sinh học Biogas:
- Chất thải của con người.
59
- Rác thải sinh hoạt, nông nghiệp, công nghiệp.
Hình 3.10: Vòng tuần hoàn kín trong việc sản xuất khí biogas
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 thì đây là một phương pháp hữu ích và thuận tiện vô cùng đối với sinh hoạt trong đời sống con người như: làm chất đốt trong sinh hoạt, nhiên liệu cho động cơ, chất cặn bả sau khi được phân huỷ thành khí còn là một nguồn phân bón cho nông nghiệp, nguồn thức ăn cho cá và một điều đặc biệt quan trọng là nguồn nguôn liệu này có sản phẩm cháy ít gây ô nhiễm môi trường góp phần cải thiện đời sống của con người.
Bảng 3.9: Các thành phần trong khí biogas
Thành phần Biogas
Thành phần %
Methane (CH4) 55 - 80
Carbon dioxide (CO2) 25 - 45
Nitrogen (N4) 0 – 0,3 Ch t th i Hầm khí Biogas Ch t b Khí CO2 Cây tr ng T hứ c ăn
60
Hydrogen (H2) 1 - 5
Hydrogen sulphide (H2S) 0 - 2
Oxygen (O2) 0,1 - 0,5
H20 0 - 2
(Nguồn: Chemical Labaratory of Liefge University)
Khí Methane (CH4). Thành phần chính của Biogas
Mêtan là một hydro carbon họAnkan, được cấu tạo từ các nguyên tử cacbon và hydro, có công thức phân tử là CH4 và công thức cấu tạo như sau:
Hình 3.11: Công thức cấu tạo khí Mêtan
Khí Mêtan:
- Không màu.
- Không mùi.
- Có khảnăng cháy được.
Các thông số nhiệt động lực học của CH4 theo điều kiện thử nghiệm ở nhiệt độ T0 = 273 0K, P0 = 0,1013 Mpa:
- Thông số truyền nhiệt Cp = 2,165 kJ/kg0K.
- Khối lượng mol M = 16,04 kg/kmol.
- Khối lượng riêng r = 0,72 kg/m³.
- Hằng số khí R = 0,518 kJ/kg0K.
- Nhiệt trị thấp của CH4 là 37,71x103 KJ/m3.
61
Hình 3.12: Hiệu quả của chất lượng khí biogas tới quá trình cháy của động cơ
(Nguồn: Tạp chí khoa học và công nghệ, Đại học Đà Nẵng số 3.2008)
Bảng 3.10: So sánh giá trị nhiệt thấp, nhiệt cao và tỉ lệ A/F của các loại nhiên liệu khác
Nhiên liệu Nhiệt trị cao (kJ/g, 250C, 1atm) Nhiệt trị thấp (kJ/g, 250C, 1atm) Tỉ lệ A/F Hydrogen 141,86 119,93 34,5 Methane 55,53 50,02 17,2 Propane 50,36 45,6 15,35 Gasoline 47,5 44,5 14,8 Diesel 44,8 42,5 14,35
(Nguồn: biogas utilization handbook, North American Manufacturing 1978)
Bảng 3.11: Thông số về trọng lượng riêng, giới hạn cháy nổ và nhiệt độ tự cháy của các thành phần trong Biogas
Khí
Trọng lượng riêng (kg/m3)
Giới hạn cháy nổ Nhiệt độ tự cháy (0F) Thấp nhất (%) Cao nhất (%)
62 Hydrogen Sulfide 1,2 4 46 550 Methyl Mercaptan 1,66 4 22 - Carbon Dioxide 1,5 - - -
(Nguồn: biogas utilization handbook, North American Manufacturing 1978)
Khi đốt cháy 28 m3 Biogas với 65% mêtan sẽ cho năng lượng tương đương khi đốt cháy 16,8 m3 khí thiên nhiên, ,025 m3 propan, 0,023 m3 butan, 0,018 m3 xăng, 45 kg gỗ khô.
Bảng 3.12: Thông số của các sản phẩm cháy sinh ra từ các loại nhiên liệu khác nhau g/km CO (mg) HC (mg) NOx (mg) CO2 (mg) Cặn (mg) Diesel 0,2 0,4 9,73 1053 0,1 Khí thiên nhiên 0,4 0,6 1,1 524 0,022 Biogas 0,08 0,35 5,44 223 0,015
(Nguồn: TRAFFIC & PUBLIC TRANSPORT AUTHORITY, Biogas technology and biogas use in Sweden, November 2000, City of Gothengurg)
Bảng 3.13: Sản phẩm cháy khi đốt cháy 1kg Biogas (96 - 99% CH4) và Xăng
Sản phẩm cháy Tỏa ra trong không khí [mg]
Xăng Biogas NOX 1194,12 1173 SOX 360,804 -- CO 6719,6 838 HC 1121,36 230 CO2 3167,2 --
63
Bảng 3.12 so sánh thông số trên cho thấy rằng sản phẩm cháy của Biogas ít gây ô nhiễm môi trường so với sản phẩm cháy của nhiên liệu dầu Diesel và ngay cả khí thiên nhiên nén Natural gas tính riêng khi dùng cho xe bus. Đây là điều quan trọng cũng là yếu tố cạnh tranh của Biogas so với nhiều loại nhiên liệu khác.
Bảng 3.14: Khảnăng cho phân và thành phần hoá học của phân gia súc, gia cầm
Vật nuôi Khảnăng cho phân hàng ngày của 500kg vật nuôi
Thành phần hoá học ( % khối lượng phân tươi ) Thể tích (m3) 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
Bảng 3.15: nh hưởng của các loại phân đến sản lượng và thành phần của khí thu
được
Nguyên liệu Sản lượng khí (m3/kg phân
khô)
Hàm lượng CH4 (%)
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
64
3.3.2 Cơ s lý thuy t của công ngh biogas
Biogas hay còn gọi là công nghệ sản xuất khí sinh học, là quá trình ủ phân rác, phân hữu cơ, bùn cống rưnh, để tạo ra nguồn khí sinh học sử dụng trong hộ gia đình hay trong sản xuất.
Dựa vào các vi khuẩn yếm khí để lên men phân hủy 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)
Sơ đồ quá trình lên men Metan:
Hình 3.13: Quá trình lên men khí metan
Giai đoạn I: Từ Chất hữu cơ phức tạp ((PROTEIN, A.AMIN, LIPID) đến chất hữu cơ đơn giản (ALBUMOZ PEPIT, GLYXERIN, A.BÉO)).
Giai đoạn II: hình thành acid (pha acid). Nhờ vào vi khuẩn acetogenic bacteria (vi khuẩn tổng hợp acetat), các hydrates carbon acid có phân tử lượng thấp (C2H5COOH, C3H7COOH, CH3COOH…) và pH môi trường ở dưới 5 nên gây thối. Giai đoạn III: hình thành khí Metan Sản phẩm của pha acid là nguyên liệu để phân hủy ở giai đoạn này, tạo ra hỗn hợp khí: CH4, CO2, H2S, N2, H2, và muối khoáng (pH của môi trường chuyển sang kiềm).
65
Bảng 3.16: Các phản ứng sinh hoá xảy ra chủ yếu trong quá trình lên men yếm khí
Ph ơng trình Năng lu ng
4H2 + H+ + HCO3- CH4+ 3H2O
T formiate:
4HCOOH CH4 + 3HCO3- + 3H + HCOOH H2 + CO2
T acetate: CH3COO- + H2O CH4 + 3HCO3- T propionate: C2H5COO- + 2H2O CH3COO- + 3H2 + CO2 T methanol 4CH3OH + H2O CH3COO- + 3H+ + H2O T ethanol C2H5OH + H2O CHCOO- + 5H2 + CO2 + H+ C2H5OH + H2O 3/2CH4 + 1/2CO2 + H2O T propanol C3H7OH + 3H2O CH3COO- + 5H2 + CO2 + H+ C3H7OH + 3H2O 9/4CH4 + 3/4CO2 + 5/2H2O
(Nguồn: VSV trong Biogas-tài liệu giảng dạy, vietnam.net)
-136 -130 -30 +80 -314 +2 -96 +84 -118
Phân gia súc như trâu, bò thì 1 kg phân pha với 1 lít nước ủ trong 50 ngày phát sinh 36 lít gas ở điều kiện nhiệt độ trong hầm 27 0C. Phân gia cầm như gà, vịt thì 1 kg phân pha với 1 lít nước ủ trong 30 ngày phát sinh 44 lít gas ở điều kiện nhiệt độ trong hầm 27 0C. Phân của con người thì 200 g phân pha với 800 ml nước tiểu cùng với 1 lít nước ủ trong 60 ngày phát sinh 24 lít gas ở điều kiện nhiệt độ trong hầm 27 0C.
66
3.3.3 Các y u tố nh h ng đ n quá trình lên men
Nhiệt độ. Độ pH. Tỷ lệCarbon / Nitơ. Tỷ lệ pha loãng. Đặc tính nguyên liệu. Tốc độ bổ sung nguyên liệu. Có mặt không khí và độc tố. 3.3.4 Thi t k hầm biogas
Lựa chọn loại hầm thích hợp: Việc lựa chọn hầm còn tùy thuộc vào điều kiện của khu vực xây dựng hầm (loại đất, loại đá…).
Quy mô của hầm: Tùy thuộc vào yêu cầu, điều kiện của người xây dựng, cũng như lượng nguyên liệu cung cấp có phong phú hay không.
Lựa chọn nền móng: tùy vào khí hậu, đất, nước ngầm.
Dung tích của hầm: dựa vào lượng khí cần cho việc tiêu thụ và khí được dùng ra sao. Đảm bảo 1,5 – 2 m3/người.
3.3.5 M t số lo i hầm biogas thông dụng 3.3.5.1 Lo i hầm sinh khí kiểu vòm cốđnh
67
3.3.5.2 Lo i hầm sinh khí có n p đ y di đ ng
Hình 3.15: Hầm sinh khí có nắp đậy di động
3.3.5.3 Lo i hầm sinh khí dùng v t li u composite
68
3.3.6 Những u nh c điểm và yêu cầu khi sử dụng nhiên li u biogas 3.3.6.1 u điểm
- Chủđộng được về nguồn nhiên liệu, trữlượng của nhiên liệu này lớn.
- Không phụ thuộc vào nguồn cung cấp và giá cả thịtrường nhiên liệu dầu mỏ.
- Giảm đáng kể lượng ô nhiễm của khí thải động cơ, giảm hiện tượng hiệu ứng nhà kính, cải thiện môi trường.
- Cung cấp một loại nhiên liệu mới sử dụng cho động cơ đốt trong.
- Không tốn chi phí vận chuyển và thuế nhập khẩu, khuyến khích đầu tư phát triển trong nước.
- Công nghệ chế biến Biogas đơn giản, chi phí đầu tư cho thiết bị thấp, có thể sản xuất ở nhiều nơi.
3.3.6.2 Nh c điểm
- Biogas còn là một khái niệm rất mới đối với người dân Việt Nam. Nên việc thực hiện dự án dùng Biogas cho động cơ đốt trong để phát triển nông thôn cần có thời gian phổ cập kiến thức cho bà con nông dân.
- Cần xử lý sấy khan Biogas trước khi đưa vào làm nhiên liệu sử dụng trong động cơ, khử thành phần H2S để tăng tuổi thọ cho động cơ. Hoá lỏng để tích trữ, vận chuyển và bảo quản.
- Khí Biogas khi bị xì ra ngoài thì có mùi hôi khó chịu.
- Cải tạo lại động cơ cho phù hợp với đặc tính nhiên liệu của Biogas.
- Khởi động động cơ khó khi nhiệt độ môi trường thấp.
3.3.6.3 Yêu cầu
- Có khả năng phát nhiệt lớn và có thể đưa vào sử dụng tập trung.
- Ít bị biến chất trong quá trình bảo quản.
- Ít gây độc hại cho môi trường sống của con người và đối với động thực vật.
- Dễ bảo quản và vận chuyển.
- Đảm bảo tuổi thọ động cơ, trong nhiên liệu không được có hoặc có rất ít chất gây ăn mòn như H2S, các loại axit và các tạp chất khác nhằm giảm tối đa quá trình
69
70
Ch ơng IV
TỊNH HỊNH NGHIÊN C ́ U NHIÊN LIỆU SINH H C
Những công trinh nghiên cưu hiê ̣n nay chủ yêu được thực hiê ̣n t ại cac phong thi nghiê ̣m, thử nghiê ̣m của cac trương Đa ̣i Học lơn trong cả nươc vi dụ : Đa ̣i Ho ̣c Sư Phạm Kỹ Thuật TP .HCM, Đa ̣i Ho ̣c Khoa Ho ̣c Tự Nhiên TP .HCM, Đa ̣i Ho ̣c Nông Lâm TP.HCM, Đa ̣i Ho ̣c Bach Khoa TP .HCM, Đa ̣i Ho ̣c Bach Khoa Đa Nẵng , Đa ̣i Học Bách Khoa Hà Nội. Ngoài ra còn được thực hiện tại phòng thí nghiệm của các viện nghiên cứu quốc gia và những công ty sản xuât nhiên liê ̣u sinh học.
4.1 Các lu n văn nghiên c u v nhiên li u c n
- Nghiên cứu lựa chọn quy trình công nghệ và đề xuất sơ đồ điều khiển tự động công đoạn sản xuấtcồnnhiên liệu bằng Zeolite 3A / Vũ Minh Đức; Người hướng dẫn khoa học: Trần Trung Kiên, 2006, ĐH Bách Khoa Hà Nội.
- Nghiên cứu một số phương pháp tiền xử lý rơm phục vụ cho mục đích sản xuất cồn sinh học / Nguyễn Thanh Huyền; Người hướng dẫn khoa học: Nguyễn Liêu Ba, 2009, ĐH Bách Khoa Hà Nội.
- ng dụng nấm men lên men xylose trong sản xuấtcồnnhiên liệu/ Nguyễn Thanh Thuỷ; Người hướng dẫn: Vũ Nguyên Thành, 2007, ĐH Bách Khoa Hà Nội.
- Nghiên cứu chế tạo nhiên liệu sạch xăng pha cồn: Luận văn thạc sỹ ngành Công nghệ hoá học/ Hoàng Đỗ Quyên, 2005, ĐH Bách Khoa Hà Nội.
- Nghiên cứu xăng động cơ pha rượu Etylic: Luận văn thạc sĩ/ chuyên ngành Tổng hợp hữu cơ-hoá dầu/ Vũ Quang Hùng, 2004, ĐH Bách Khoa Hà Nội.
- ng dụng cồn làm nhiên liệu cho động cơ xăng 1 xylanh – UP200, Nguyễn