ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ô TÔ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG KHÍ SINH HỌC BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
NỘI DUNG ĐỒ ÁN
500 MB Bao gồm tất cả file CAD, 2D, 3D, thuyết minh ỨNG DỤNG KHÍ SINH HỌC BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG, quy trình sản xuất, bản vẽ nguyên lý THIẾT KẾ ỨNG DỤNG KHÍ SINH HỌC BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG, thiết kế, các chi tiết trong máy, kết cấu, ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ô TÔ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG KHÍ SINH HỌC BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
Lời mở đầu:
Những vấn đề mà thế giới quan tâm hiện nay đó là năng lượng và ô nhiễm môi trường. Nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt dần và càng trở thành mối nhạy cảm trong bức tranh chính trị quốc tế. Giá dầu thô thay đổi liên tục trong thời gian gần đây đã cho thấy bất ổn lớn của nền kinh tế toàn cầu khi dựa vào dầu thô làm nguồn năng lượng chính. Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới là một trong những hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng. Và nghiên cứu sử dụng các nguồn năng lượng tái sinh từ lâu đã được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm. 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.
Nguồn khí biogas nhận được từ các hầm khí sinh học đã cung cấp năng lượng phục vụ sinh hoạt gia đình. Trong thực tế sản xuất và sinh hoạt ở nông thôn hiện nay, những động cơ đốt trong cỡ nhỏ kéo các máy công tác thông thường như bơm nước, phát điện… có nhu cầu rất lớn. Sử dụng khí biogas để chạy các loại động cơ này sẽ giúp cho người dân tiết kiện được chi phí năng lượng, giảm giá thành sản xuất và góp phần giảm ô nhiễm môi trường. Vì thế em đã chọn đề tài: “Nghiên cứu và ứng dụng khí sinh học biogas cho động cơ đốt trong”. Qua bài khóa luận này người học kính mong Đảng và nhà nước chú trọng phát triển khí sinh học để động cơ sử dụng nhiên liệu biogas được sử dụng rộng rãi hơn.
Mục lục
Chương 1. Giới thiệu về đề tài nghiên cứu................................................................... 1
1.1 Giới thiệu về đề tài nghiên cứu.............................................................................. 1
1.1.1 Giới thiệu......................................................................................................... 1
1.1.2 Mục đích ý nghĩa của đề tài........................................................................... 1
1.1.2.1 Mục đích của đề tài................................................................................ 1
1.1.2.2 Ý nghĩa của đề tài................................................................................... 1
1.2 Tổng quan về biogas................................................................................................ 2
1.2.1 Vấn đề năng lượng hiện nay.......................................................................... 2
1.2.2 Tình hình phát triển biogas............................................................................ 2
- Trên thế giới. .....................................................................................2
- Việt Nam............................................................................................3
1.2.3 Kết luận............................................................................................................ 5
Chương 2. Đặc tính khí biogas....................................................................................... 6
2.1 Tính chất vật lý.......................................................................................................... 6
2.1.1 Nhiệt trị và khối lương riêng. ....................................................................... 7
2.1.2 Giới hạn cháy. ................................................................................................. 8
2.1.3 Nhiệt độ cháy cao nhất.................................................................................. 9
2.1.4 Nhiệt độ tự cháy và chỉ số octan................................................................... 9
2.1.5 Vận tốc cháy.................................................................................................... 10
2.2 Tính chất hóa học..................................................................................................... 11
2.2.1 Công thức phân tử............................................................................................ 11
2.2.2 Công thức cấu tạo............................................................................................. 11
2.2.3 Thành phần của khí biogas............................................................................. 11
2.2.4 Cơ chế hình thành khí metan......................................................................... 11
2.2.5 Ảnh hưởng của các tạp chất đối với sự hoạt động của động cơ............... 12
2.3 Công nghệ sản xuất biogas...................................................................................... 13
2.3.1 Nguồn nguyên liệu ban đầu........................................................................... 13
2.3.2 Xử lý nguyên liệu............................................................................................ 13
2.3.3 Quá trình lên men............................................................................................ 14
2.3.4 Các hầm biogas............................................................................................... 15
2.3.5 Lọc biogas....................................................................................................... 18
2.3.5 Lưu trữ biogas................................................................................................. 23
2.4 Kết luận...................................................................................................................... 25
Chương 3. Ứng dụng làm nhiên liệu động cơ đốt trong.............................................. 27
3.1 Khả năng thay thế nhiên liệu truyền thống.......................................................... 27
3.1.1 Sơ lược về các loại nhiên liệu thay thế: LPG, CNG, biogas....................... 27
3.1.2 Xác định tỉ lệ A/F và ảnh hưởng của %CO2 tới quá trình cháy................. 30
3.2 Hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas cho động cơ đốt trong..............................33
3.2.1 Kiểu cơ khí.................................................................................................33
3.2.1.1 Yêu cầu của bộ hỗn hợp ......................................................................33
3.2.1.2 Kết cấu một số bộ hỗn hợp.................................................................34
a) Bộ trộn Venturi.......................................................................................34
b) Van hỗn hợp điều khiển áp suất loại màng............................................38
3.2.2 Hệ thống cung cấp nhiên liệu phun khí biogas điều khiển điện tử...........40
3.3 Một số loại động cơ sử dụng nhiên liệu biogas..................................................... 43
3.4 Ứng dụng làm nhiên liệu động cơ đốt trong và dùng nấu ăn trong gia đình.... 46
3.4.1 Ứng dụng trong gia đình dùng nấu bếp. ..................................................... 46
3.4.2 Dùng cho động cơ đốt trong.......................................................................... 48
3.4.2.1 Sử dụng trên ôtô...................................................................................... 48
3.4.2.2 Dùng cho máy phát điện....................................................................... 50
3.4.2.3 Dùng cho xe gắn máy............................................................................ 55
3.5 Kết luận..................................................................................................................... 58
Chương 4. Hiệu quả của việc sử dụng nhiên liệu biogas .........................................59
4.1 Tận dụng nguồn nhiên liệu phế thải, giảm ô nhiễm môi trường....................... 59
4.2 Nguồn nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu truyền thống.................................... 60
4.3 Tính toán hiệu quả kinh tế của các phương án cung cấp biogas cho động cơ.. 60
4.3.1 Đối với động cơ biogas/xăng...................................................................... 61
4.3.2 Đối với động cơ biogas/diesel.................................................................... 62
4.4 Thuận lợi và khó khăn khi sử dụng nhiên liệu Biogas........................................ 62
4.4.1 Thuận lợi.......................................................................................................... 62
4.4.2 Khó khăn. ........................................................................................................ 63
4.5 Hướng phát triển của đề tài.................................................................... 63
Trường ĐHCN TP.HCM Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam
Khoa Động Lực Độc lập - Tự do – Hạnh phúc
NHIỆM VỤ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên
MSSV:
Ngành Công nghệ ôtô
Tên đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng khí sinh học biogas cho động cơ đốt trong.
1. Yêu cầu.
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và tìm hiểu những ứng dụng của nhiên liệu khí sinh học biogas để ứng dụng cho động cơ đốt trong.
2. Nội dung.
- Chương 1 Giới thiệu về biogas
- Chương 2 Đặc tính khí biogas
- Chương 3 Ứng dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong
- Chương 4 Hiệu quả của việc sử dụng nhiên liệu biogas
- Đĩa mềm ghi kết quả đồ án.
Tài liệu tham khảo chương 2
[1] Bùi Văn Ga – Ngô Văn Lành – Ngô Kim Phụng “Thử nghiệm khí Biogas trên động cơ xe gắn máy”.
[2] Bùi Văn Ga, Lê Minh Tiến, Trương Lê Bích Trâm, Trần Hậu Lương. “Động cơ sử dụng phối hợp hai nhiên liệu Xăng-Biogas”. Tạp chi khoa học và công nghệ, Đại Học Đà Nẵng: Trang 23-45, số 3(26), 2008.
[3] Engine for Biogas.
[4] http://www.dost-bentre.gov.vn/chuyen-muc/nghien-cuu-trien-khai/470-c-s-khoa-hc-ca-biogas.html
[5] John B. Heywood (1988), Internal Combustion Engine Fundamentals, Mc- Graw Hill, USA
[6] Nhan Hồng Quang. “Sử dụng Biogas để chạy động cơ đốt trong”. Đề tài số 206/06TLĐ, Phân viện Bảo hộ lao động và Bảo vệ môi trường Miền Trung- Tây Nguyên, 2007.
[7] Nguyễn Quang Trung. “Giáo trình Nhiên liệu và vật liệu bôi trơn”. Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng, 2007.
[8] Tài liệu của Công ty Cổ phần Hiện Đại Hóa - Hien Dai Hoa JSC. 2005 - 2010
[9] vnexpress.net
[10] vietbao.vn/Khoa-hoc/Tau-hoa-chay-bang-biogas-dau-tien-tren-the-gioi/40104780/188/
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 (CH4), cacbonic (CO2) 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 CH4 ,gây hiệu ứng nhà kính gấp 21 lần so với khí CO2).
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 m3 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.
- 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 m3 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 m3/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:
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 m3.
- 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 5m3, 7m3, 8m3, 10m3, 15m3) 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 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.
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 CH4 và CO2. 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 (CH4) |
Carbon Dioxide (CO2) |
|
Trọng lượng phân tử |
16,04 |
44,01 |
|
Tỷ trọng |
0,554 |
1,52 |
|
Điểm sôi (1at) |
144 0C |
60,8 0C |
|
Điểm đông (1at) |
-164,8 0C |
-38,83 0C |
|
Khối lượng riêng |
0,66 kg/m3 |
1,82 kg/m3 |
|
Nhiệt độ nguy hiểm |
64,44 0C |
48,89 0C |
|
Áp suất nguy hiểm |
45,8 at |
72,97at |
|
Nhiệt dung Cp (1at) |
6,962.10-4 J/ kg-0C |
2,643.10-4 J/ kg-0C |
|
Tỷ lệ Cp/Cv |
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.
- 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 m3).
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 CHchiếm 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[3].
- Khối lượng riêng của CH4 : 0,66 kg/m3
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 CHtrong khí biogas.
Hình 2.3 Giới hạn cháy phụ thuộc vào % thể tích CHvà 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.
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 trong khí thải của các thiết bị động cơ nhiệt.
Hình 2.4 Nhiệt độ cháy phụ thuộc vào % thể tích CHvà hơi nước trong khí biogas[3].
Từ đồ thị (hình 2.4) ta thấy rằng % CHtrong 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. CHlà 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 CH4 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 |
|
|
(oC) |
(oF) |
|||
|
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 CHtrong hỗn hợp biogas/ không khí và % thể tích CO trong biogas.
Hình 2.5 Vận tốc cháy phụ thuộc vào lượng CH, COtrong khí biogas.[3].
Từ đồ thị (hình 2.5) ta thấy rằng hàm lượng COtăng 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 CHtrong hỗn hợp, và vận tốc lan truyền màng lửa đạt giá trị lớn nhất khi % thể tích CHkhoảng 9%-10% thể tích hỗn hợp.
2.2 Tính chất hóa học.
2.2.1 Công thức phân tử: CH4
2.2.2 Công thức cấu tạo:
2.2.3 Thành phần của khí biogas.
Ngoài hai thành phần chính là CH4 và CO2 còn có các tạp chất cơ bản dạng khí có trong biogas được liệt kê dưới đây:
Bảng 2.3 Thành phần khí biogas [7]
|
Thành phần |
% |
|
Methane, CH4 |
50-75 |
|
Carbon dioxide, CO2 |
25-50 |
|
H2O |
0-1 |
|
Hydrogen sulphide, H2S |
0-3 |
2.2.4 Cơ chế hình thành khí metan.
Cơ chế 2 giai đoạn:
Giai đoạn 1: Các chất hữu cơ phân hủy thành các axit hữu cơ, CO2, H2 và các sản phẩm khoáng hóa khác dưới tác dụng của enzym cellulosase:
CxHyOz → các axit hữu cơ, CO2, H2
Giai đoạn 2: Các axit hữu cơ, CO2, H2 tiếp tục bị tác động bởi các vi khuẩn metan:
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O
CO + 3H2 → CH4 + H2O
4CO + 2H2 → CH4 + 3CO2
4HCOOH → CH4 + 3CO2 + 3H2O
4CH3OH → 3CH4 + 2H2O + CO2
CH3COOH → CH4 + H2O
2.2.5 Ảnh hưởng của các tạp chất đối với sự hoạt động của động cơ.
Hai tạp chất quan trọng trong khí biogas là H2S và CO2. H2S sau khi cháy sẽ tạo ra SO2, sau đó nó có thể chuyển một phần thành SO3. Phần lớn lượng khí này thoát ra ngoài cùng khí cháy, nhưng có thể một phần kết hợp với hơi nước (nếu có) để tạo ra axit H2SO4 gây ăn mòn các bề mặt chi tiết của động cơ và làm ô nhiễm môi trường không khí. Sự hiện diện của khí CO2 trong biogas làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu , mặc dù không phải là chất chiếm nhiều trong biogas như carbon dioxide, nhưng hơi nước có thể có ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ ngọn lửa, giới hạn cháy, nhiệt trị thấp và tỷ lệ không khí/nhiên liệu của biogas. Ngoài ra nó làm tăng nguy cơ ăn mòn thiết bị, do đó cần thiết phải giảm lượng hơi nước có trong biogas . Ngoài ra trong biogas còn có một số tạp chất khác nhưng hàm lượng của chúng bé, gây ảnh hưởng không đáng kể đến quá trình cháy, tuổi thọ của động cơ.
Vì vậy để có thể sử dụng khí biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong, chúng ta cần khử hai chất H2S và CO2.
2.3 Công nghệ sản xuất biogas.
2.3.1 Nguồn nguyên liệu ban đầu.
Các chất hữu cơ (cây cối, rơm rạ, xác sinh vật, các chất thải từ quá trình chế biến thực phẩm...), các chất thải từ quá trình chăn nuôi...
Bảng 2.4 Khả năng sinh gas của một số loại phân.
|
Loài gia súc |
Lượng gas từ phân (lít/Kg phân) |
Lượng phân gia súc (Kg/ngày) |
|
Trâu bò |
22-40 |
10-15 |
|
Heo |
40-60 |
2,5-3,5 |
|
Gia cầm |
60-115 |
0,07-0,09 |
2.3.2 Xử lý nguyên liệu.
Nguyên liệu dùng để lên men tạo khí sinh học rất là phong phú, đa dạng và trước khi sử dụng cần phải chọn lọc kỹ và xử lý sao cho phù hợp với yêu cầu và chất lượng sau :
- Giàu cellulose.
- Ít Ligin
- NH4 ban đầu khoảng 2000mg/l
- Tỷ lệ carbon / nitơ : 20/30
- Nguyên liệu phải được hoà tan trong nước, tỉ lệ phân nước là tốt nhất từ 1/12 – 1/4 khi đó sự phân hủy trong hầm ủ rất tốt, dịch thải ra rất tốt có màu đen sậm.
- Quá trình lên men.
Hình 2.6 Sơ đồ hệ thống sản xuất biogas[4]
1- Bể lắng cát. 4- Bể đựng chất thải.
2-Ống dẫn phân. 5- Hệ thống lọc H2S và CO2.
3-Ống dẫn bã thải. 6- Bình chứa khí Biogas sạch.
Nguyên lý làm việc của hệ thống:
Phân tươi từ chuồng trại được đưa vào bể lắng cát (1) để lắng đá, cát ...rồi qua ống dẫn phân (2) vào bể phân huỷ. Ở bể phân huỷ xẩy ra quá trình lên men tạo khí sinh học như sau:
Hình 2.7 Sơ đồ quá trình lên men tạo khí sinh học[4]
- Giai đoạn I:
Những chất hữu cơ phức tạp (chất béo, hydrat cacbon, protein) được vi khuẩn phân hủy thành những chất hữu cơ đơn giản (các chất tan)
- Giai đoạn II: pha acid ( hình thành acid)
Nhờ vi khuẩn tổng hợp acetat các hydratescarbon → acid phân tử lượng thấp (C2H5 COOH, C3H7 COOH, CH3 COOH…). Các vi khuẩn tham gia trong pha này là: Bacillusereus, Clostridiumcarnefectium, Pseudomonas.
- Giai đoạn III: hình thành khí mêtan
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.
Các vi khuẩn tham gia trong pha này: Methanobacterium omelianskii,
Methanoplopionicum, Methanosuboxydans.
- Các hầm biogas.
Hiện nay ở Việt nam đã phát triển nhiều loại hầm biogas. Ngoài những loại hầm biogas truyền thống được xây bằng xi măng (hình 2.8) và dạng túi (hình 2.9), còn có hầm biogas được làm bằng vật liệu composite (hình 2.10)….
Khi xây hầm biogas phải xây thật kín đáo tránh việc rò rỉ ra ngoài, nguyên lý hoạt động của hầm biogas rất đơn giản chỉ gồm 1 đường dẫn phân tươi từ trại chăn nuôi vào hầm, ở đó phân tươi bị phân hủy tạo khí mêtan (CH4). Khí mêtan bay lên theo ống dẫn đến các thiết bị tiêu thụ.
Phân đã được phân hủy đến định mức sẽ theo đường dẫn tràn ra ngoài và hoạt động này được lặp đi lặp lại tuần hoàn.
Hình 2.8 Mô hình hầm biogas được xây bằng gạch và xi măng.
Hình 2.9 Mô hình hầm biogas bằng túi.
- Theo nguồn tài liệu: ”Hướng dẫn sản xuất và sử dụng khí đốt sinh vật” dịch thuật
từ tài liệu của Liên Hợp Quốc do nhà xuất bản Đồng Nai xuất bản năm 1984. Thông
thường 1 m3 khí biogas có thể sử dụng:
- Chạy 1 động cơ 2HP trong 1giờ.
- Chạy 1 tủ lạnh 300 lít trong 3 giờ.
- Có thể phát sinh ra 1,25 KW điện.
- Thắp sáng đèn Măng Xơng 60 W trong 7 giờ.
- Nấu ăn cho một gia đình 4-6 người.
Phân gia súc như trâu, bò thì 1kg phân pha với 1 lít nước ủ trong 50 ngày phát
sinh 36 lít gas ở điều kiện nhiệt độ trong hầm 27 oC. Phân gia cầm như gà, vịt thì 1
kg phân pha với 1lít nước ủ trong 30 ngày phát sinh 44 lít gas ở điều kiện nhiệt độ
trong hầm 27 oC. Phân của con người thì 200g phân pha với 800ml nước tiểu cùng
với 1lít nước ủ trong 60 ngày phát sinh 24 lít gas ở điều kiện nhiệt độ trong hầm 27 oC.
Nhiệt độ thích hợp nhất cho các cuộc thử nghiệm luợng gas phát sinh là 25 oC
và đây cũng là nhiệt độ trung bình cho các công trình xây dựng hầm ủ khí biogas tại
các nước châu Á.
Ở nhiệt độ trung bình vào khoảng 22 - 26 oC, về mùa đông nhiệt độ thấp
hơn, do đó lượng Gas phát sinh thấp hơn nên đối với từng vùng khí hậu mà hầm ủ
cho ta lượng thể tích khí biogas khác nhau.
Lượng biogas phát sinh nhiều hay ít còn phụ thuộc vào bể chứa sinh khí có
vận hành và sử dụng đúng phương pháp hay không, loại chất thải và tỉ lệ nước – phân.
Lượng phân lấy được từ con người và gia súc gia cầm phụ thuộc vào nguồn
thức ăn, sức khoẻ của sinh vật và đây cũng là yếu tố ảnh hưởng lớn đến lượng gas
phát sinh mà ta thu được.
- Giới thiệu về hầm biogas làm bằng vật liệu composite.
- Hầm biogas xây bằng chất liệu nhựa composite có độ bền cao và kín tuyệt đối, vì thế có thể kiểm tra độ kín ngay sau khi lắp đặt. Không gãy nứt, không bị rò khí trong điều kiện móng yếu, không bị axit, bazơ ăn mòn…
- Hiệu suất không khí của hầm biogas composite cao và chịu được áp suất lớn và kín tuyệt đối, có khả năng tự động chuyển hoá lên men kỵ khí 100%.
- Lắp đặt hầm biogas composite không tốn nhiều thời gian và công nhân lắp đặt.
- Hầm biogas composite có áp lực khí gas cao đến 1,6m cột nước và khả năng tự điều áp khí gas, gas quá nhiều hầm tự động xả khí thông qua hai cột điều áp không cần van an toàn.
- Hầm biogas composite khi sử dụng không phải lấy phân bã ra khỏi bể mà phân đã phân huỷ hết còn bã tự động đẩy ra ngoài.
- Hầm biogas composite có thể lắp đặt mọi địa hình khác nhau, đặc biệt vùng trũng khi đào có nước việc lắp đặt rất đơn giản.
- Di chuyển dễ dàng nếu cần thiết.
- Hầm biogas composite có thể lắp đặt thêm nhiều các thiết bị phụ để nâng cao tính hiệu suất sinh khí như: khử mùi, máy phát điện chạy bằng gas, bình nước nóng chạy bằng gas...
- Thông thường hầm biogas composite có 3 loại kích thước:
+ Đường kính 1.9m
+ Đường kính 2.25m
+ Đường kính 2.4m .
................................
Động cơ diesel khi chuyển sang chạy bằng biogas/diesel phải sử dụng một lượng
nhiên liệu diesel phun mồi để đánh lửa. Lượng nhiên liệu này gần như cố định đối với
công suất tải và phụ thuộc vào kết cấu cũng như tình trạng kỹ thuật của động cơ. Thực
nghiệm cho thấy động cơ cỡ nhỏ lượng nhiên liệu phun mồi chiếm khoảng 5% lượng
phun định mức. Động cơ cỡ lớn (trên 100kW) tỉ lệ này khoảng 25%. Chúng ta có thể
giả định tỉ lệ nhiên liệu phun mồi tăng một cách tuyến tính theo công suất định mức của
động cơ.
- Chi phí nhiên liệu diesel phun mồi khi động cơ chạy bằng biogas:
K = 7.10- 4
Pdm. Xd (Pdm + 25) (đồng/giờ) (3)
Pdm: Công suất định mức của động cơ diesel (kW)
Xd: Giá dầu diesel (đồng/lít)
- Tiết kiệm khi chạy bằng biogas so với khi chạy bằng diesel:
Pb-diesel = 0,35λ Pdm. Xd – K (đồng/giờ) (4)
λ: Tỉ số công suất đầu ra máy phát điện/công suất định mức của động cơ
- Tiết kiệm khi chạy bằng biogas so với khi sử dụng điện sản xuất:
Db -d = λ Pdm.Y – K (đồng/giờ) (5)
Y: Giá điện (đồng/kWh)
4.4 Thuận lợi và khó khăn khi sử dụng nhiên liệu biogas.
4.4.1 Thuận lợi.
- Chủ động được về nguồn nhiên liệu, trữ lượng của nhiên liệu này lớn.
- Không phụ thuộc vào nguồn cung cấp và giá cả thị trường 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.
4.4.2 Khó khăn.
- Biogas đã được sử dụng để chạy máy phát điện ở nông thôn nhưng chưa cấp được biogas vào đường ống nạp của động cơ với lượng chính xác.
- 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.
- Khí Biogas khi bị xì ra ngoài thì có mùi hôi khó chịu.
- Hướng phát triển của đề tài.
- Mức độ đạt được.
+ So sánh đặc tính hóa lý của biogas với nhiên liệu truyền thống và kết luận rằng biogas hoàn toàn có thể thay thế cho nhiên liệu hóa thạch.
+ Biogas là nhiên liệu sạch cho động cơ đốt trong.
+ Sử dụng nhiên liệu biogas làm giảm bớt hàm lượng khí xả (HC, CO…)
- Hướng phát triển của đề tài.
+ Chúng ta cần chú trọng và nghiên cứu sâu hơn về nhiên liệu biogas nhằm tận dụng hiệu quả nguồn năng lượng tái tạo gần như vô tận (từ chất thải của quá trình sản xuất).
+ Hiện nay, ở Việt Nam hầu hết ứng dụng của biogas (sử dụng bộ trộn mixer) nên hiệu quả chưa cao, trong thời gian sắp tới cần thiết kế hệ thống phun khí gas điện tử để đáp ứng được yêu cầu phun biogas vào đường ống nạp của động cơ với lượng chính xác.
+ Trong tương lai, nhiên liệu khí có thể là nguồn nhiên liệu chính để sử dụng trên ôtô nên chúng ta cần phải nghiên cứu sâu hơn nữa vấn đề lọc biogas, lưu trữ biogas …để sử dụng cho ôtô đạt hiệu quả cao nhất.
