L ời cam đoan
4.12 Nhiên liu khí biogas
4.12.1 Ph ơng pháp ch n đ ng cơ để sử dụng khí biogas
Yêu cầu của động cơ khi sử dụng nhiên liệu Biogas:
- Tỷ số nén lớn để có thể hoạt động được với nhiên liệu khí.
- Có khả năng sử dụng lưỡng nhiên liệu để có thể nâng cao tính cơ động của động cơ.
92
- Độ giảm công suất khi sử dụng nhiên liệu Biogas so với nhiên liệu xăng không lớn quá.
- Lượng tiêu thụ Biogas phù hợp với năng suất sinh khí của hầm Biogas.
- Giảm ô nhiễm môi trường.
- Tuổi thọ cao, giá thành phù hợp.
Tỉ số nén của khí Biogas khoảng 11 - 12 nên dùng chạy động cơ Diesel thì không phù hợp, ta phải thay đổi kết cấu của động cơ hoặc dùng song song nhiên liệu. Ta cần pha trộn khí Biogas với Diesel theo tỉ lệ 10 - 20% Diesel và 80 - 90% khí Biogas.
Tỉ số Biogas này phù hợp hơn cho động cơ Xăng vì tỉ số nén của động cơ xăng vào khoảng 9 - 12. Khi dùng Biogas cho động cơ xăng thì khởi động bằng xăng rồi sau đó chuyển đổi chạy bằng khí Biogas là hiệu quả. Đôi khi động cơ sử dụng hoàn toàn bằng khí Biogas ngay cả khi khởi động.
Chính vì những yếu tố trên ta nên chọn động cơ xăng để sử dụng khí Biogas là hợp lý nhất.
* Động cơ cải tiến để sử dụng khí Biogas cần có thêm các thiết bị sau:
- Bộ lọc khí Biogas sau khi thu được từ hầm chứa khí.
- Máy nén khí Biogas có bình chứa.
- Bộ sấy khan khí Biogas, nhiệt lấy từ khí thải động cơ.
- Bộ trộn khí Biogas nối với bộ chế hoà khí.
- Van khóa điều khiển đường nhiên liệu Biogas.
- Bộ lọc khí Biogas trước khi vào bộ trộn khí. Dùng năng lượng Biogas trực tiếp cho động cơ
93
Hình 4.5: Khí Biogas cho trực tiếp vào động cơ
Phương án này không tốn chi phí đầu tư ban đầu, nhưng động cơ hoạt động tạo ra công suất thấp vì còn hơi nước đi vào động cơ làm quá trình cháy của động cơ xảy ra không hoàn toàn và quan trọng hơn là H2S vào động cơ làm mòn phá hỏng động cơ.
Sấy Biogas trước khi cho vào động cơ
Hình 4.6: Sấy khí Biogas trước khi cho vào động cơ
Khí Biogas được sấy nóng trước khi cho vào động cơ thông qua bộ sấy tách hơi nước làm khô Biogas nhờ vào khí thải của động cơ, việc này tốn chi phí đầu tư ban đầu cho bộ sấy, mặt khác nguồn Biogas phải được tích trữ ổn định trước khi cho vào bộ sấy. Với phương án này động cơ hoạt động tạo ra công suất cao hơn vì khí Biogas đã được sấy khô ở nhiệt độ khoảng 100oC hoặc cao hơn, không còn hơi nước vào động cơ làm quá trình cháy của động cơ tốt hơn nhưng vẫn chưa khử được khí H2S nên động cơ sẽ bị ăn mòn.
94
4.12.2 Ph ơng pháp tách H2S và CO2
Biogas chứa phần lớn methane, ngoài ra còn có CO2, H2, H2O và H2S. Trong các thành phần trên, H2S dù chỉ chiếm một tỉ lệ rất nhỏ, nhưng là khí có hại nhất. Khi sử dụng để nấu bếp, H2S gây ăn mòn các ống dẫn, bếp nấu, và làm cho biogas có mùi hôi khó chịu. H2S khi cháy tạo thành SO2 cũng là khí độc hại đối với sức khỏe con người. Khi sử dụng cho động cơ, H2S gây ăn mòn các chi tiết của đường ống nạp-thải và buồng cháy, làm giảm tuổi thọ của động cơ. Khí CO2 tuy không gây ăn mòn như H2S, nhưng sự hiện diện của nó với hàm lượng lớn làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu. Thành phần hơi nước cũng gây ảnh hưởng tương tựnhư CO2.
4.12.2.1 Thi t b tách H2S
Sử dụng phoi sắt để tách H2S. Chất này được EPA (Cục bảo vệ môi trường Mỹ) chứng nhận không gây ô nhiễm nguồn nước ngầm và có thể thải trực tiếp ra các bãi rác.
Hình 4.7: Phoi sắt trước khi bị oxy hóa và sau khi bị oxy hóa
Trước khi sử dụng, phoi sắt được oxy hóa để tạo thành một lớp oxit sắt trên bề mặt. Quá trình này có thể thực hiện một cách tự nhiên bằng cách phơi phoi sắt ngoài không khí một thời gian hoặc đốt để tăng tốc độ oxy hóa. Phản ứng oxy hóa phoi sắt diễn ra như sau:
Fe + 1/2 O2 FeO 2Fe + 3/2O2 Fe2O3 3Fe + 2O2 Fe3O4
95
Oxit sắt tạo thành là hỗn hợp của các oxit FeO, Fe2O3, Fe3O4. Các phản ứng trên có thể được xúc tiến nhanh hơn bằng cách tưới nước trên phoi sắt. Quá trình oxy hóa sắt đạt yêu cầu khi bề mặt phoi sắt chuyển từ màu xám sang màu vàng xốp, hoặc đỏ xốp (hình 4.7).
Khi khí biogas đi qua thiết bị lọc chứa oxit sắt, H2S được tách ra theo các phản ứng sau:
Fe2O3 + 3H2S Fe2S3 + 3H2O Fe3O4 + 4H2S FeS+Fe2S3 + 4H2O FeO + H2S FeS + H2O
Khả năng tách H2S của thiết bị giảm dần theo thời gian. Sau 1 tuần sử dụng đầu tiên (trung bình 4 giờ/ngày), khả năng khử của thiết bị đạt trên 99,4%. Sau 1 tháng sử dụng, hiệu suất của thiết bị vẫn còn đạt trên 98%. Khi hiệu suất của thiết bị giảm thấp, chúng ta có thể tái sinh lõi lọc bằng cách phơi phoi sắt ngoài không khí. Phản ứng tái sinh diễn ra như sau:
Fe2S3 + O2 Fe2O3 + 3S FeS + O2 FeO+ S
Phản ứng trên là phản ứng tỏa nhiệt, có thể tự xảy ra trong điều kiện nhiệt độ môi trường. Để gia tốc quá trình tái sinh, chúng ta có thể đốt phoi sắt đư sử dụng trong 15 phút. Tuy nhiên quá trình này tạo ra chất khí ô nhiễm SO2:
Fe2S3 + 9/2O2 Fe2O3 + 3SO2 FeS + 3/2O2 FeO+ SO2 Phoi sắt có thể được tái sử dụng từ 3 - 5 lần.
Phoi sắt sau khi đốt được trộn với vỏ bào cưa với tỉ lệ 1:1 về thểtích, sau đó được cho vào thiết bị lọc (hình 4.8).
Với lưu lượng biogas là 0,86 m3/h, khối lượng phoi sắt sử dụng là 8kg để lắp đầy một thiết bị bằng PVC có chiều cao 1,5m, đường kính ngoài 200mm. Tổn thất áp suất trung bình khi qua thiết bị tách H2S là 0,3mbar.
Hình 4.8: Thiết bị
96
Thiết bị như trên đư được sử dụng để lọc khí H2S cho nguồn khí biogas tại Trung tâm bảo trợ xã hội, Đà Sơn, Hòa Khánh Nam, Đà Nẵng. Kết quả phân tích khí trước và sau khi đi qua lọc cho ở bảng 4.8. Chúng ta thấy hiệu suất lọc đạt khá cao (trên 99%).
Bảng 4.8: Hiệu quả lọc H2S
Sau 1 giờ sử dụng Sau 20 giờ sử dụng Trước xử lý Sau xử lý Trước xử lý Sau xử lý Hàm lượng H2S
(mg/l) 0,17 0,0005 0,20 0,001
ppm thể tích 112 0,33 132 0,66
97
4.12.2.2 Tháp tách CO2
Hình 4.10: Tháp tách CO2
Việc tách CO2 ra khỏi biogas được thực hiện dựa vào tính chất hấp thụ khí carbonic của nước. Nguyên lý của phương pháp này là cho khí tiếp xúc ngược chiều với nước trong đó, khí đi từ dưới lên, còn nước chảy từ trên xuống. Để tăng cường sự tiếp xúc của khí và nước, nhóm đư sử dụng các vật liệu trơ như gỗ, đá, gạch để làm đệm. Để cốđịnh lớp đệm trong bên trong tháp, nhóm đư sử dụng một đĩa đục lỗ bằng mica, đặt ở phần dưới của tháp.
Với kích thước tháp tách CO2 như hình trên, lưu lượng biogas là 0,86 m3/h, thành phần CO2 ở đầu vào tháp là 36,47%, thành phần CO2 ở đầu ra của tháp là
98
19,22%, chúng ta đạt được hiệu quả xử lý CO2 là 47,30%. Tổn thất áp suất khi đi qua thiết bị hấp thụ CO2 là 5 mbar.
4.12.2.3 Tách hơi n c
Hình 4.11: Bình lọc khí Biogas
Bình lọc khí Biogas có công dụng làm giảm lượng H2O có trong khí sau khi được lấy từ hầm chứa và khửđi thành phần H2S.
Bình lọc sẽ giữ lại phần H2O trước khi cho khí vào bình tích của máy nén, ta chọn thể tích bình khoảng 0,02 – 0,05 m3, cho vào trong bình một phần là nước có thêm long nưo để khử mùi hôi và hoá chất KOH để làm mất đi lượng H2S, lớp giữa là than hoạt tính để tách lần cuối và trên là bông gòn hoặc rơm xay nát để giữ lại phần ẩm còn sót lại, phần trên cùng là để khí Biogas thoát ra sau khi chúng được cho sục vào nước, hơi nước gặp nước sẽđược giữ lại, sau đó khí thoát ra đi qua lớp rơm sẽ bị rơm giữ lại phần nước còn lại và thoát lên phần trên của bình đi vào máy nén khí.
4.12.3 Đ ng cơ sử dụng k t h p biogas/xăng
Khí biogas sau khi qua hệ thống lọc H2S và CO2 trên đây có đủ tiêu chuẩn để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Trong nghiên cứu này, khí biogas sau khi qua lọc được dùng để cung cấp điện cho động cơ 2 mư lực kéo máy phát điện.
Thí nghiệm sử dụng động cơ phối hợp nhiên liệu biogas – xăng. Khi khởi động và chạy không tải động cơ sử dụng xăng, sau khi kéo tải động cơ sử dụng
99
Biogas. Tốc độđộng cơ được khống chế một cách tự động nhờ van tiết lưu Biogas và van hỗn hợp.
Hình 4.12: Sơ đồ nguyên lý hệ thống tạo hỗn hợp cho động cơ đốt trong kéo máy
phát điện chạy bằng Biogas
Hệ thống gồm van công suất 1 với vòi phun chính 3 đặt tại họng bộ chế hòa khí; Van không tải 11 với vòi ziclơ không tải 10 nối thông với lỗ cấp khí 6 đặt sau bướm
ga; Van làm đậm kiểu điện từ 12 với ziclơ làm đậm 9 mắc song song với cụm 11, 10; Mạch điều khiển van điện từ 14 được cung cấp điện một chiều 12 volts thông qua các cực 13 và nhận tín hiệu từ máy phát điện thông qua đầu nối 15. Hệ thống cung cấp nhiên liệu xăng nguyên thủy của động cơ không thay đổi gồm bộ chế hòa khí 7, khóa xăng 8, bướm gió khởi động 2, bướm ga 5 được điều khiển bởi bộ điều tốc thông qua cánh tay đòn 4.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Không khí Hỗn hợp
100
Nguyên lý hoạt động của hệ thống được mô tả tóm tắt như sau:
- Khi động cơ chạy bằng xăng, khóa ga cung cấp cho hệ thống ở vịtrí đóng, khóa xăng mở, động cơ hoạt động bình thường như trước khi cải tạo.
- Khi chạy bằng biogas, khóa xăng đóng, khóa ga mở, khí biogas sau khi qua lọc được đưa vào hệ thống ởđầu ống 16.
Áp suất trong buồng cháy của động cơ đối với nhiên liệu Biogas và xăng được trình bày trong đồ thị sau:
Hình 4.13: So sánh quá trình cháy sử dụng nhiên liệu Xăng và Biogas (Nguồn: Tạp chí khoa học và công nghệ, Đại học Đà Nẵng số 3.2008) [30]
101
Hình 4.14: Kết quả thực nghiệm trên động cơ đánh lửa cưỡng bức 2 HP để kéo
máy phát điện [30].
Sử dụng các bóng đèn làm phụ tải, khi động cơ bắt đầu khởi động thì điện áp của máy phát tăng lên đạt mức 220 V. Khi chuyển sang chạy bằng Biogas, ta thay đổi tải bằng cách tắt mở các bóng đèn thì nhận thấy rằng điện áp của máy phát lên xuống ở mức 5% so với bình thường.
Hình 4.15: Đồ thịđiện áp phát ra của máy phát điện [30]
102
- Theo kết quả thực nghiệm của trường đại học bách khoa Đà Nẵng thì 1 m3 Biogas sẽ tạo ra được công suất điện 1 Kwh, máy phát điện tạo ra 1 Kw sẽ tiêu tốn 5 lít xăng trong 10 h, nên nếu chạy 10 h/ngày bằng Biogas chúng ta có thể tiết kiệm được 3,4 triệu đồng/tháng (lấy giá xăng trung bình theo thực tế hiện nay là 23.000 lít).
- Lượng khí thải CO2 khi đốt cháy bằng nhiên liệu xăng là 2,31 kg/lit, máy phát hoạt động công suất 1 Kw chạy bằng xăng trong 10 h/ngày sẽ thải ra 11,55 kg CO2 hoặc 3,5 tấn trên một năm. Vì vậy khi chạy bằng Biogas chúng ta có thể giảm được khí thải CO2 khoảng 3,5 tấn.
Hình 4.16: So sánh nồng độ HC và CO trong khí xả của động cơ lưỡng nhiên liệu biogas-xăng khi sử dụng xăng và biogas [30].
(Nguồn: tạp chí khoa học và công nghệ, số 3.2008, ĐH Đà Nẵng).
- Theo kết quả của đồ thị, mức độ khí thải của động cơ khiđộng cơ sử dụng nhiên liệu Biogas là rất thấp, với số lượng nhỏ khí CO và HC ra môi trường (0,07% CO, 30 ppm HC). Sử dụng xăng thìlượng CO và HC rất cao ởcùng điều liện công suất.
4.12.4 Các nghiên c u sử dụng khí biogas trên đ ng cơ xe máy và đ ng cơ diesel
Khí biogas sau khi xử lý được cung cấp cho động cơ xe máy 110cc với bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu GA5. Hình 4.17 là hình chụp xe gắn máy được cung cấp khí biogas. Kết quả bước đầu cho thấy động cơ làm việc bình thường, chạy êm và rất dễ khởi động.
103
Hình 4.17: Chạy thử nghiệm biogas trên động cơ xe máy 110cc với bộ phụ kiện GA5 [31]
Kết quả phân tích khí thải động cơ xe gắn máy chạy bằng biogas được giới thiệu ở bảng 4.9. Theo TCVN, ở chế độ không tải, giới hạn cho phép của HC là 1200 ppm và CO là 4,5 %. Nếu xem chếđộ này ứng với khi động cơ làm quay bánh xe không tải 200 vòng/phút thì khi chạy bằng biogas, mức độ phát thải của động cơ chỉ bằng 10 % đối với HC và 1 % đối với CO so với giới hạn cho phép của TCVN. Điều này cho thấy sử dụng biogas để chạy động cơ là rất lý tưởng về mặt bảo vệ môi trường. Nhưng khó khăn cần giải quyết là tìm kiếm công nghệ lưu trữ biogas trên phương tiện giao thông vận tải. Điều này không gây trở ngại đối với việc sử dụng biogas trên động cơ tĩnh tại.
Bảng 4.9: Kết quả phân tích khí xả xe gắn máy chạy bằng biogas
Tốc độ quay bánh xe (vòng/phút) không tải Tốc độ quy đổi (km/h) Hàm lượng khí xả HC (ppm) CO (% vol) CO2 (%vol) 200 18,85 102 0,04 2,56 300 28,27 738 0,08 2,38 450 42,41 644 0,09 2,80
104
Hình 4.18: Máy phát điện biogas/diesel 5 kW [32]
105
Hình 4.20: Hệ thống cung cấp biogas cho động cơ 6 xylanh [33]
Hình 4.21: Van cung cấp biogas cho động cơ 6 xylanh [33]
4.12.5 Ti m năng sử dụng biogas Vi t Nam
Khí hậu Việt Nam có các đặc tính phù hợp với điều kiện sản xuất khí Biogas, nước ta có diện tích đất nông nghiệp lớn, ngành nông nghiệp phát triển ở các vùng nông thôn, nhiều hộ chăn nuôi và nông trang trại lớn chưa được khai thác triệt để. Do đó đây là điều kiện thuận lợi để chúng ta có thể sử dụng nguồn chất thải chế biến thành khí Biogas cung cấp chất đốt và nhiên liệu thay thế cho động cơ nhỏ được sử dụng rất phổ biến trên cánh đồng lúa và nông trại, nâng cao thu nhập cho bà con nông dân, nền kinh tế nông thôn được phát triển góp phần tăng trưởng nền kinh tế quốc gia.
Nguồn chất thải từ con người, các trại chăn nuôi gia súc và gia cầm ở Việt Nam cũng có thể thu gom dùng làm nguồn năng lượng nhiên liệu Biogas để phục vụ
106
cho đời sống nông dân, làm nguồn nhiên liệu cho động cơ đốt trong là điều thuận lợi, vì số lượng gia súc và gia cầm ở các trang trại chiếm tỉ lệ tương đối lớn.
Bảng 4.10: Theo nguồn từ Cục Thống Kê năm 2004, sốlượng Lợn, Bò ở Việt Nam
Lợn Bò
Số lượng (con) Số lượng (con) Số lượng (con) kg phân/ngày Miền Bắc 12.465.400 1.432.800 1.432.800 14.328.000 Miền Trung 7.561.600 2.455.400 2.455.400 24.554.000 Miền Nam 6.116.500 1.019.500 1.019.500 10.195.000 Tổng Cộng 26.143.500 4.907.700 4.907.700 49.077.000 1 con lợn = 2 kg phân/ngày 1 con bò = 10 kg phân/ngày 1 kg phân lợn = 0,18 m3 khí 1 kg phân bò = 0,36 m3 khí