Luận văn năy gồm 4 chƣơng.
Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quan Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết
Chƣơng 3: Tính tơn thiết kế hệ thống mây phât điện sử dụng Biogas Chƣơng 4: Kết quả thử nghiệm.
Chƣơng 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Nhu cầu năng lƣợng sử dụng Biogas
2.1.1 Nhu cầu đun nấu
Khí sinh vật lă nguồn năng lƣợng rẻ tiền, có thể đóng góp rất nhiều văo việc cải thiện đời sống con ngƣời. Nhất lă trong giai đoạn khan hiếm năng lƣợng nhƣ hiện nay. Ở trại chăn ni, hộ gia đình có chăn ni gia súc vă gia cầm thì vấn đề đun nấu cần một lƣợng năng lƣợng rất lớn, việc sử dụng khí thiín nhiín để đun nấu sẽ tận dụng đƣợc nguồn năng lƣợng tại chỗ nín giảm đƣợc chi phí đầu văo cho ngƣời dđn. Việc sản xuất vă sử dụng khí sinh vật lă vấn đề nóng bỏng thu hút nhiều nhă khoa học tham gia, câc nhă năng lƣợng thế giới quan tđm sđu sắc, riíng đối với Việt Nam thì việc nghiín cứu vấn cịn mới vă việc sử dụng khí sinh vật có ý nghĩa vơ cùng quan trọng, giải quyết phần năo về khó khăn năng lƣợng hiện nay, tuy nhiín hiện nay khí Biogas đƣợc sử dụng cho mục đích đun nấu lă chủ yếu.
Về nhiệt lƣợng hữu ích: 1m3 khí Biogas tƣơng đƣơng 0,7 kg dầu, thắp đỉn 60W trong 7 giờ, tạo 1,25 KW.h điện; 4,37 kg củi; kĩo xe 3 tấn trong 2Km; 6,1 kg rơm rạ. Trong 10 kg phđn lợn hăng ngăy có thể sản xuất đƣợc 400÷500 lít khí. Vì vậy ở trại chăn nuôi nhu cầu năy rất cần thiết để tận dụng câc nguồn nguyín liệu trín.
2.1.2 Nhu cầu chạy câc động cơ đốt trong
Dùng để kĩo câc mây công tâc nhƣ bơm nƣớc, mây xay xât, mây phât điện … Lƣợng khí tiíu khoảng 4,05 m3/mê lực hoặc 0,76 m3/kw.h điện. Để chạy động cơ một mê lực trong 1 giờ phải dùng một lƣợng khí khoảng (0,42-0,5) m3 khí sinh vật, một động cơ cỡ 12 mê lực dùng trong 8 giờ sẽ dùng tới 40 m3 khí sinh vật.
Nhu cầu thắp sâng
Hiện nay ở câc trại chăn nuôi thắp sâng bằng nguồn năng lƣợng điện lƣới, không tận dụng đƣợc tối đa nguồn năng lƣợng tại chỗ nín khơng nđng cao đƣợc tính kinh tế. Trong trƣờng hợp mất điện thì ta dùng khí sinh vật để thắp sâng, để thắp sâng thì thƣờng ngƣời ta dùng đỉn nhƣ đỉn măng xơng, hoặc dùng đỉn mạng:
Đỉn mạng có độ sâng tƣơng đƣơng đỉn điện sợi tóc 60 W, tiíu thụ khí 70÷80 lít/giờ ở âp suất 40 cm nƣớc. Độ sâng của đỉn tăng khi âp suất cao hơn.
Ngoăi ra còn câc nhu cầu khâc nhƣ: Sƣởi ấm khi gia súc sinh văo mùa đông, chạy tủ lạnh, sấy thức ăn cho vật nuôi …
2.2 Nguồn cung cấp năng lƣợng tâi tạo hiện nay 2.2.1 Năng lƣợng mặt trời 2.2.1 Năng lƣợng mặt trời
Hiện nay ở câc trại chăn nuôi dùng năng lƣợng mặt trời với mục đích chủ yếu lă sấy thức ăn cho vật nuôi. Muốn sử dụng rộng rêi năng lƣợng mặt trời cho nhiều mục đích khâc nhau nhƣ câc hệ thống sƣởi ấm bằng năng lƣợng mặt trời, điều hoă khơng khí vă cung cấp nƣớc nóng ở mức độ cao, pin mặt trời thì địi hỏi trƣớc hết phải giải quyết những vấn đề kỹ thuật cơ bản, công nghệ chế tạo cũng nhƣ khả năng ứng dụng thực tế của chúng. Ở nƣớc ta việc ứng dụng khả thi của năng lƣợng mặt trời lă văo việc nấu nƣớc nóng vă sấy gỗ. Có thể nói lă khả thi vì cơng nghệ tƣơng đối đơn giản, quâ trình chế tạo dễ dăng vă giâ thănh thì tƣơng đối phù hợp với kinh tế Việt Nam.
2.2.2 Năng lƣợng gió
Trong những năm 30 của thế kỷ 20, con ngƣời đê biết sử dụng năng lƣợng sức gió để chạy mây phât điện, công suất đạt đến 75 KW. Một số nƣớc đê sử dụng năng lƣợng gió để chạy thuyền buồm, cối xay gió, phục vụ cho sinh hoạt gia đình nhƣ: Thắp sâng đun nấu, quạt ngay cả chạy tua bin gió để bơm nƣớc để phục vụ cho trồng trọt vă chăn nuôi trong ngănh nông nghiệp.
2.2.3 Thuỷ điện vă thuỷ điện nhỏ
Thuỷ điện hiện nay lă nguồn năng lƣợng chính của nƣớc ta, nhă nƣớc ta đê chủ trƣơng xđy dựng câc nhă mây thuỷ điện với công suất rất lớn để đâp ứng nhu cầu ngăy căng cao trong công nghiệp, nông nghiệp cũng nhƣ trong đời sống sinh hoạt của ngƣời dđn. Với mật độ về thuỷ điện cao nhất thế giới, nƣớc ta có rất nhiều lợi thế để xđy dựng câc nhă mây thuỷ điện, mặc dù vậy thuỷ điện lă nguồn năng lƣợng đòi hỏi vốn đầu tƣ rất lớn, để xđy dựng một nhă mây thuỷ điện phải mất một thời gian khâ dăi khối lƣợng cơng việc khảo sât, thăm dị rất lớn, phâ hoại đất đai, lăm
biến đổi trầm tích. Thuỷ điện lăm mất đi một diện tích đất canh tâc rất lớn, ảnh hƣởng đến chất lƣợng nguồn nƣớc, phâ rừng, biến động thời tiết, lăm cản trở giao thơng vận tải thuỷ bộ có khi cịn ảnh hƣởng đến việc di dđn.
Chính vì vậy để giảm bớt câc yếu điểm trín mă vẫn tận dụng có hiệu quả vă thực tế nguồn năng lƣợng thuỷ năng ta nín tiến hănh xđy dựng những nhă mây thuỷ điện vừa vă nhỏ, huy động nguồn vốn địa phƣơng phối hợp với sự hỗ trỡ của TW.
2.2.4 Nguồn năng lƣợng khâc 2.2.4.1 Năng lƣợng hoâ thạch
Câc loại năng lƣợng năy bao gồm: Than đâ, dầu mỏ đê đƣợc loăi ngƣời sử dụng từ lđu với nhiều mục đích khâc nhau nhƣ chạy động cơ đốt trong, đốt trực tiếp … Khi sử dụng loại năng lƣợng năy đê đem lại nhiều lợi ích cho con ngƣời, thúc đẩy xê hội loăi ngƣời đạt những bƣớc phât triển vƣợt bậc, đem đến cuộc sống ấm no, hạnh phúc vă văn minh cho hăng tỷ ngƣời trín thế giới. Tuy nhiín khi sử dụng nguồn năng lƣợng năy cũng đem lại nhiều hậu quả to lớn cho con ngƣời vă cả hănh tinh chúng ta. Sự gia tăng câc nồng độ câc chất ơ nhiễm trong bầu khí quyển kể từ khi nhđn loại bƣớc văo thời kỳ công nghiệp đê đặt ra những vấn đề hết sức bức xúc về mơi trƣờng. Thủ phạm chính gđy ra câc chất ơ nhiễm trong bầu khí quyển lă sản phẩm chây của nhiín liệu hơ thạch (Than đâ, dầu mỏ, khí đốt … ). Trong khí thải có những chất trực tiếp gđy ảnh hƣởng đến sức khoẻ con ngƣời COx, HC, NOx, SO2, bồ hóng … vă những chất gđy tâc động đến mơi trƣờng, đặc biệt lă CO2, chất khí gđy hiệu ứng nhă kính lăm tăng nhiệt độ trâi đất, hơn nữa những loại nhiín liệu năy có xu huớng ngăy căng cạn kiệt. Vì vậy cần có một loại năng lƣợng sạch thay thế, đó lă năng lƣợng tâi sinh vă không truyền thống (Cồn, Biogas, ... ).
2.2.4.2 Năng lƣợng tâi sinh vă năng lƣợng không truyền thống
Gồm 2 loại chính:
+ Năng lƣợng khơng truyền thống: Khí thiín nhiín (GNV), khí dầu mỏ hơ lỏng khí dầu mỏ hơ lỏng (LPG), khí Hiđrơ…
+ Năng lƣợng tâi sinh: Dầu biodiozel, dầu cọ, dầu dừa, dầu phụng, cồn … câc loại năng lƣợng năy có nguồn gốc từ thực vật, tuy nhiín vẫn khâ đắt so với dầu mỏ.
2.2.4.3 Năng lƣợng từ khí sinh học (Biogas)
Biogas lă một dạng năng lƣợng khí, đđy lă cơng nghệ dễ tiếp cận với vốn đầu tƣ ít. Ƣu điểm của nguồn năng lƣợng năy lă việc nó thay thế đƣợc câc nguồn năng lƣợng khâc nhau nhƣ: Than, củi, điện, nhiín liệu khí hoâ lỏng vă dầu… Sau khi phđn động vật đƣợc phđn huỷ thì nó cho chất lƣỡng hữu cơ giău chất dinh dƣỡng vă khơng có mùi đƣợc sử dụng để cải thiện đất nơng nghiệp tốt hơn phđn bón tƣơi. Bín cạnh đó ngăn ngừa nạn chặt phâ rừng bảo vệ mơi trƣờng. Chính vì vậy hiện nay, Biogas đƣợc sử dụng rộng rêi từ câc trang trại nhỏ đến câc trang trại lớn.
2.2.5 Tính tơn chi phí năng lƣợng cho một tari chăn nuôi nhỏ
Nhu cầu năng lƣợng của trại chăn ni: Trại chăn ni 15 con bị, 20 con heo thịt, 8 con heo nâi, 1 con heo đực.
Mỗi ngăy trại sử dụng năng lƣợng để phục vụ sản xuất nhƣ: + Bơm nƣớc: mỗi ngăy bơm 15 m3
nƣớc sử dụng hết 4 KW điện để chạy mây bơm nƣớc.
+ Dùng điện sinh hoạt: mỗi ngăy dùng hết 7 KW.
+ Bếp: Sử dụng nhiín liệu lă củi chủ yếu, mỗi ngăy dùng 50 kg củi. + Phđn bón cho cỏ để chăn ni: Mỗi ngăy 3 Kg phđn bón.
Bảng 2.1. Tính chi phí năng lƣợng của trại chăn nuôi một ngăy.
TT Dạng năng lƣợng Số lƣợng Đơn giâ Thănh tiền
Chi phí của thâng
1 Điện dùng bơm nƣớc 4 KW 700 đ/1KW 2.800 đ 84.000 đ.
2 Điện sinh hoạt 7 KW 700 đ/1KW 4.900 đ 147.000 đ.
3 Phđn bón 3 kg 1000đ/ 1kg 3.000 đ 3.000 đ.
3 Củi 50 kg 100 đ/ 1kg 5.000 đ 150.000 đ.
Vậy về kinh tế hăng thâng trại chăn nuôi phải chi ra khoảng 471.000đ để chi phí năng lƣợng cho q trình chăn ni của trại.
2.3.1 Sơ đồ sản xuất Biogas
PHÂN TƯƠI
BỂ PHÂN HUỶ
BỂ ÁP SUẤT
GAS TỐI ƯU
1
2 3
4
5 6
Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống sản xuất Biogas. 1- Bể lắng cât. 4- Bể đựng chất thải. 1- Bể lắng cât. 4- Bể đựng chất thải.
2- Ống dẫn phđn. 5- Hệ thống lọc H2S vă CO2. 3- Ống dẫn bạ thải. 6- Bình chứa khí Biogas sạch.
Nguyín lý lăm việc của hệ thống:
Phđn tƣơi từ chuồng trại đƣợc đƣa văo bể lắng cât(1) để lắng đâ, cât ...rồi qua ống dẫn phđn (2) văo bể phđn huỷ. Ở bệ phđn huỷ xảy ra quâ trình lín men tạo khí sinh học nhƣ sau:
Sau khi lín men hỗn hợp khí Biogas đƣợc dẫn văo hệ thống lọc khí H2S vă CO2, hỗn hợp đƣợc lọc chứa phần trăm H2S vă CO2 nhỏ, thănh phần trăm CH4 chiếm khoảng 97,9%. Sau đó hỗn hợp đƣợc dẫn văo bình chứa Biogas (6), câc chất bê sau khi phđn huỷ đƣợc dẫn ra bể chứa chất thải(4) vă đƣợc sử dụng lăm phđn bón cđy trồng.
2.3.2 Tính năng của Biogas
Cũng nhƣ dầu thực vật, khí Biogas lă nhiín liệu trung hoă CO2 trong khí quyển. Biogas lă kết quả phđn huỷ câc chất hữu cơ trong mơi trƣờng thiếu khơng khí. Câc chất hữu cơ có thể lă thực vật (cđy cối, rơm rạ…) hay thực vật (xâc sinh vật, câc chất thải từ quâ trình chế biến thực phẩm…), câc chất thải từ q trình chăn ni… Q trình diệp lục hơ của thực vật dƣới tâc động của ânh sâng mặt trời hấp thụ khí CO2. Nếu đốt nhiín liệu có nguồn từ thực vật thì CO2 trong khí thải sẽ đƣợc cđn bằng. Hai nguồn Biogas chính lă câc hầm khí sinh học vă khí phât sinh từ câc bêi chơn lấp râc trong q trình lín men hiếm khí của câc chất hữu cơ. Biogas chứa chủ yếu lă CH4 (50-70%) vă CO2 (22-50%) vă câc tạp chất khâc nhƣ H2S.
Biogas đƣợc sử dụng với nhiều mục đích khâc nhau:
+ Dùng lăm nhiín liệu đốt: đun nấu, sƣởi ấm cho vật nuôi, sấy nông sản ...
+ Thay thế nhiín liệu truyền thống để chạy động cơ đốt trong: Chạy động cơ mây phât điện, động cơ mây bơm nƣớc, mây xay xât, mây lạnh để bảo quản sản phẩm nông nghiệp ...Sử dụng câc loại động cơ năy sẽ giúp cho ngƣời nông dđn tiết kiệm chi phí năng lƣợng, giảm giâ thănh sản xuất vă góp phần tích cực trong cải thiện đời sống ngƣời dđn.
2.3.3 Tình hình sử dụng Biogas hiện nay
Hiện nay, khí nhiín liệu thay thế đê trở thănh đề tăi nghiín cứu đƣợc nhiều nhă quan tđm thì những lựa chọn để sử dụng nguồn năng lƣợng năy căng trở nín phong phú. Câc xu hƣớng chính sử dụng nhiín liệu biogas trín thế giới nhƣ sau:
+ Đốt trực tiếp.
+ Lăm nhiín liệu cho câc loại động cơ. + Bân cho câc nhă cung cấp khí tự nhiín.
Hình 2.3. Sơ đồ câc ứng dụng Biogas.
2.3.4 Khả năng ứng dụng Biogas chạy động cơ đốt trong
Có thể nói rằng động cơ đốt trong sử dụng biogas từ câc hệ thống xử lý râc thải thănh phố đê đƣợc ứng dụng trín mấy chục năm nay vă mang lại những thănh công ở nhiều mức độ khâc nhau. Trong những năm trở lại đđy, công nghệ năy đê đƣợc ứng dụng rộng rêi cho câc ngănh sản xuất nông nghiệp vă công nghiệp dƣới sức ĩp của việc khan hiếm năng lƣợng hoâ thạch trong tƣơng lai. Câc động cơ đânh lửa
Nguồn Biogas
Quạt, bơm, mây nĩn
Động cơ Bân cho nhă
cung cấp Tạo năng lƣợng Cơng suất trín trục Vận tải Cấp nhiệt, lăm lạnh. Sấy. Xe khâch, Xe tải, Mây kĩo Phât nhiệt điện
Turbin lỏng. Turbin khí. Điều hoă hay đun nƣớc Phât điện. Đốt trực tiếp Mây phât thuỷ lực.
cƣỡng bức cố định có thể cung cấp năng lƣợng cho rất nhiều loại thiết bị tải bao gồm:
+ Mây phât điện. + Mây bơm. + Quạt.
+ Thiết bị nđng chuyển.
+ Bơm nhiệt, điều hịa khơng khí.
Ngoăi ra, biogas cũng lă nguồn năng lƣợng tiềm năng để cung cấp cho câc phƣơng tiện vận tải nhƣ xe ca, xe tải cũng nhƣ câc thiết bị công nghiệp khâc nhƣ mây kĩo… Việc đânh giâ hiệu quả ứng dụng của câc hệ thống năy sẽ nhằm mục đích tối ƣu hô việc ứng dụng biogas. Những vấn đề cần quan tđm lă:
2.3.4.1 Mức độ ứng dụng
Việc cung cấp biogas cho động cơ nhƣ thế năo cho có hiệu quả nhất. Có cần thiết một hệ thống nĩn khí hay một hệ thống cung cấp đặc biệt năo khâc cho động cơ hay không cũng lă vấn đề cần quan tđm.
2.3.4.2 Chi phí lắp đặt
Hệ thống phât điện chạy bằng biogas thƣờng yíu cầu chi phí lắp đặt tƣơng đối cao hơn so với động cơ chạy bằng năng lƣợng điện. Hệ thống phât điện cũng thƣờng yíu cầu chi phí cho hệ thống điều khiển vă kết nối.
2.3.4.3 Chi phí vận hănh, bảo dƣỡng
Câc nhă mây phât điện lớn thƣờng có chi phí vận hănh vă bảo dƣỡng thấp hơn so với câc nhă mây nhỏ. Câc mây móc tiíu thụ tải lớn cần đƣợc ƣu tiín lắp đặt trƣớc câc mây tải nhỏ. Chi phí sửa chữa cũng cần đƣợc tính đến.
2.4 Hệ thống cung cấp năng lƣợng sử dụng Biogas
2.0 HP ON OFF OFF ON OFF ON OFF ON 4 1 2 3 5 6 7
Hình 2.4. Hệ thống cung cấp năng lƣợng cho trại chăn nuôi.
1- Hầm biogas. 5- Bếp nấu.
2- Hệ thống thiết bị xử lý khí biogas. 6- Mây bơm nƣớc.
3- Thiết bị phđn phối khí biogas. 7- Mây xay xât.
4- Mây phât điện.
Chú thích: Khí biogas cịn chứa H2S vă CO2 từ hầm ủ (1) đƣợc dẫn văo hệ thống thiết bị xử lý (2), ở đđy hỗn hợp khí H2S vă CO2 đƣợc tâch ra vă hỗn hợp khí Biogas chứa 97,9% CH4. Sau đó hỗn hợp khí đi đến thiết bị phđn phối, từ đó hỗn hợp khí Biogas đƣợc dẫn đến câc thiết bị sử dụng nhiín liệu khí Biogas trong trại chăn nuôi nhƣ: Mây bơm nƣớc, mây phât điện, mây xay xât, bếp nấu ăn...
2.5 Thiết kế bộ tạo hỗn hợp Biogas – Khơng khí cho động cơ 2.5.1 Thiết kế hệ thống lọc H2S vă loại trừ CO2 2.5.1 Thiết kế hệ thống lọc H2S vă loại trừ CO2
+ Khí H2S có trong khí Biogas khi sử dụng sẽ tạo thănh SOx gđy ăn mòn thiết bị, tạo ra ô nhiễm môi trƣờng.
+ Khí CO2 có trong khí Biogas sẽ hấp thụ nhiệt của q trình chây của động cơ do đó lăm giảm hiệu suất của động cơ.
2.5.1.1 Hấp phụ
Hấp phụ lă q trình hút khí (hơi) hay chất lỏng bằng bề mặt chất rắn xốp. Chất khí hay hơi đƣợc hút đƣợc gọi lă chất bị hấp phụ, chất rắn xốp dùng để hút khí hay hơi đƣợc gọi lă chất hấp phụ vă những khí khơng bị hấp phụ gọi lă khí trơ.
Tuỳ theo đặc trƣng của quâ trình mă chúng ta phđn biệt câc loại hấp phụ sau đđy: Hấp phụ hoâ học vă hấp phụ vật lý.
2.5.1.2 Ứng dụng quâ trình hấp thụ
Lăm sạch vă sấy khí