Khóa luận Khảo sát hoạt động của máy phát điện công suất 10 kva sử dụng nhiên liệu khí biogas ủ từ phân heo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG 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 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG 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 hƣớng dẫn Sinh viên thực hiện TS. DƢƠNG NGUYÊN KHANG ĐẶNG BÌNH AN Thành phố Hồ Chí Minh Tháng 9/2007 iii LỜI CẢM TẠ Em xin chân thành cảm tạ:  Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh, Ban chủ nhiệm Bộ Môn Công Nghệ Sinh Học, cùng tất cả quý thầy cô đã truyền đạt kiến thức cho em trong suốt quá trình học tại trường.  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. iv MỤC LỤC Trang Lời cám ơn ........................................................................................................................... i Tóm tắt ................................................................................................................................ ii Mục lục ............................................................................................................................... iii Danh sách các bảng ............................................................................................................ iv Danh sách các hình và sơ đồ ................................................................................................ v 1.MỞ ĐẦU ........................................................................................................................... 1 1.1. Đặt vấn đề ................................................................................................................ 1 1.2.Mục đích và yêu cầu ................................................................................................. 2 1.2.1. Mục đích ........................................................................................................... 2 1.2.2. Yêu cầu ............................................................................................................. 2 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 2.1.4.2. Nhiệt độ .......................................................................................................... 5 2.1.4.3. Ẩm độ ............................................................................................................. 6 2.1.4.4. pH ................................................................................................................... 6 2.1.4.5. Thời gian ủ ..................................................................................................... 6 2.1.4.6. Hàm lượng chất rắn........................................................................................ 6 2.1.4.7. Thành phần chất dinh dưỡng ......................................................................... 6 2.1.4.8. Các chất gây trở ngại cho quá trình lên men ................................................. 7 v 2.1.5. Ảnh hưởng của biogas đến môi trường............................................................. 8 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 2.1.7.2. Ứng dụng .................................................................................................. 13 2.1.8. Một số hầm ủ yếm khí tạo biogas hiện nay .................................................... 14 2..1.8.1. Hầm ủ dạng vòm ..................................................................................... 14 2.1.8.2. Dạng hầm giếng có khoang chứa gas nổi ................................................. 14 2.1.8.3. Dạng hầm ủ túi dẻo .................................................................................. 14 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 2.2.3.1.. Bộ phận phát lực ..................................................................................... 16 2.2.3.2 Bộ phận đánh lửa....................................................................................... 17 2.2.3.3. Bộ phận phân phối khí ............................................................................. 17 2.2.3.4. Bộ phận nhiên liệu ................................................................................... 18 2.2.3.5. Bộ phận làm mát ...................................................................................... 19 2.2.3.6. Bộ phận bôi trơn ....................................................................................... 19 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 vi 3. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu ............................................................................. 23 3.1. Thời gian và địa điểm thực hiện đề tài .................................................................. 23 3.2. Vật liệu, thiết bị sử dụng ....................................................................................... 23 3.3. Phương pháp, bố trí thí nghiệm ............................................................................ 23 3.3.1. Giai đoạn 1 ...................................................................................................... 23 3.3.1.1. Bước 1 ...................................................................................................... 24 3.3.1.2. Bước 2 ...................................................................................................... 24 3.3.1.3. Bước 3 ...................................................................................................... 24 3.3.2. Giai đoạn 2 .................................................................................................. 24 3.3.2.1. Bước 1 ...................................................................................................... 25 3.3.2.2. Bước 2 ...................................................................................................... 25 3.3.2.3. Bước 3 ...................................................................................................... 25 3.3.3. Giai đoạn 3 ...................................................................................................... 25 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 5. Kết luận và đề nghị ........................................................................................................ 37 5.1. Kết luận .................................................................................................................. 37 5.2. Đề nghị .................................................................................................................. 37 6. Tài liệu tham khảo .......................................................................................................... 38 vii DANH SÁCH CÁC BẢNG TÊN BẢNG TRANG 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 TÊN HÌNH TRANG 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 Hình 2.4 Sơ đồ bộ chế hòa khí ...................................................................... 19 Hình 4.1. Biểu đồ so sánh lượng khí HC và NOx thải ra của máy sử dụng xăng hoặc biogas ở chế độ không tải ................ 28 Hình 4.2. Biểu đồ so sánh lượng khí CO, CO2, O2, thải ra của máy bằng xăng hoặc biogas ở chế độ không tải ..................... 28 Hình 4.3. Biểu đồ so sánh lượng khí CO, CO2, O2, thải ra của máy bằng xăng hoặc biogas ở chế độ có tải ........................... 33 Hình 4.1. Biểu đồ so sánh lượng khí HC và NOx thải ra của máy sử dụng xăng hoặc biogas ở chế độ có tải ...................... 33 1 Chƣơng 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: “Bƣớc đầu khảo sát hoạt động của máy phát điện loại 10 kVA chạy bằng nhiên liệu khí biogas đƣợc ủ từ phân heo”. 2 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. 1.2.2 Yêu cầu  Ghi nhận lượng khí biogas hoặc xăng cần để chạy máy phát điện công suất 10 kVA trong vòng 1 giờ ở chế độ không và có tải.  Ghi nhận công suất và khả năng tải của máy phát điện khi chạy bằng biogas hoặc xăng ở chế độ không tải và có tải.  Xác định thành phần khí xả ra từ máy khi chạy bằng biogas hoặc xăng ở chế độ không tải và có tải. 3 Chƣơng 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1. Lý thuyết về biogas 2.1.1. Sơ lƣợc 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]. 4  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 N2 0-5 % 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% CO2 là 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 5 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 hƣởng 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 310C -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 200C - 300C cũng thuận lợi cho chúng hoạt động. Nhóm vi khuẩn sinh khí 6 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). 2.1.4.3. Ẩm độ Ẩm độ cao hơn 96 % thì tốc độ phân huỷ chất hữu cơ giảm, sản lượng gas tạo ra ít. Ẩm độ thích hợp nhất cho vi sinh vật hoạt động là 91,5 - 96 %. 2.1.4.4. pH pH cũng góp phần quan trọng đối với hoạt động sống của vi sinh vật tạo khí mêtan. Vi khuẩn sinh khí mêtan ở pH 4,5 - 5 (Young Fu, 1989), khi pH > 8 thì hoạt động của vi sinh vật giảm nhanh (Nguyễn Thị Thủy, 1991). 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). 7 Bảng 2.2. Điều kiện thích hợp cho quá trình phân hủy kỵ khí Nhiệt độ Tiến trình mesophylic 950F Tiến trình Thermophylic 1300F pH 7 - 8 Độ kiềm 2500 mg/L minimum Thời gian lưu trữ 10 - 30 ngày Tỉ lệ các chất dinh dưỡng 0,15 - 0,35 Ib VS/ft3/d Sản lượng biogas 3 - 8 ft3/Ib VS Lượng mêtan 70 % 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 SO4 2- 5.000 ppm NaCl 40.000 ppm NO2 5 mg/100 ml Cu 100 mg/l Cr 200 mg/l Ni 200 - 500 mg/l CN - 25 mg/l Alkyl benzen sulfonate 20 - 40 ppm NH3 1.500 - 3000 mg/l Na 3.000 - 5.500 mg/l K 2.500 - 4.500 mg/l Ca 2.500 - 4.500 mg/l Mg 1.000 - 1.500 mg/l 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… 8 2.1.5. Ảnh hƣởng của biogas đến môi trƣờng 2.1.5.1. Cải thiện vệ sinh môi trƣờng 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 pH 7,4 7,8 - 7,9 COD (mg/l) 32.000 5.800 - 6.600 BOD (mg/l) 10.600 3.400 - 3.900 E.coli (MPN/ml) 15,76 x 10 7 12 - 15,26 x 10 4 Coliform (MPN/l) 18,97 x 10 10 12,3 x 10 3 - 25,74 x 10 5 Streptococcus (MPN/l) 54,5 x 10 6 0,31 - 2,7 x 10 2 Trứng ký sinh trùng (trứng/g) 2.750 105 - 175 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 9 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 CO2 2.1.6. Tính chất của khí biogas 2.1.6.1. Tính chất vật lý Nhiệt trị 4 - 8 kWh/m3 Khối lượng riêng 1,2 kg/m3 Nhiệt 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 10 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 Phương trình cháy: CH4 +O2 = CO2 + 2 H2O Mêtan là chất dễ cháy; nhiệt độ bắt lửa 5370C; nhiệt độ khi cháy có thể đạt đến 21480C; tỉ lệ có thể bắt lửa 5 - 15 % thể tích. Đốt cháy hoàn toàn 1 m3 mêtan sinh ra năng lượng khoảng (5500 - 6000) kcal.  Khí cacbonic (CO2) Khí cacbonic không phản ứng với khí O2 nên không tham gia vào quá trình cháy của động cơ. Tuy nhiên, lượng CO2 có trong biogas quá nhiều làm giảm thể tích của CH4, làm ảnh hưởng đến công suất của động cơ.  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/m 3 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…  Khí amoniac (NH3) Amoniac còn có tên là hydrogen nitride, spirit of hartshorn, nitrosil, NH3… Amoniac tồn tại trong biogas ở thể khí.  Tính chất vật lý Amoniac có mùi khai, không màu nhẹ hơn không khí 0,589 lần; khối lượng riêng 0,6381 kg/m3; nhiệt độ đông đặc - 77,730C; nhiệt độ hoá lỏng - 33,340C. Ở 00C 88,9 g amoniac có thể hoà tan hoàn toàn trong 100 ml nước.  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 11  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 40 0 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 H2SO3 H2S + 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 nƣớc 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. 12 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 (m 3/ tấn phân) Thành phần mêtan (% thể tích) Trâu, bò 260 - 280 50 - 60 Heo 561 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 m 3 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 m 3 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) Trâu 14 Bò 14 Lợn 2,44 13 2.1.7.2. Ứng dụng của biogas  Trong nƣớc 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.  Ngoài nƣớc Việc nghiên cứu và ứng dụng biogas đã xuất hiện từ lâu. Phát triển mạnh nhất là ở các nước Trung Quốc, Ấn Độ, Thụy Điển, Đức, Đan Mạch … Ở 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 động cơ nổ phát điện. Cho đến năm 1979, Trung Quốc đã có 301 trạm phát điện nhỏ sử dụng biogas. 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]. 14 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 15 sử dụng nhiên liệu khí biogas loại công suất 10 kVA được sử dụng trong quá trình khảo sát là một động cơ đốt trong bốn kỳ. 2.2.2. Khái niệm động cơ đốt trong bốn kỳ Là động cơ mà một chu kỳ hoàn hành trong 4 hành trình. Nói cách khác, piston phải chạy lên xuống 4 lần và trong 4 hành trình của piston chỉ có một hành trình sinh công. Trong mỗi chu kỳ của động cơ đốt trong xảy ra 4 quá trình liên tiếp nhau là kỳ nạp, kỳ nén, kỳ nổ và kỳ xả.  Kỳ nạp: Piston đi từ điểm chết trên đến điểm chết dưới; xupap hút mở cho phép hút môi chất vào trong xylanh.  Kỳ nén: Cả hai xupap hút và xả đều đóng kín, piston đi từ điểm chết dưới đến điểm chết trên. Môi chất bên trong xylanh bị nén; dẫn đến áp suất, nhiệt độ trong xylanh tăng nhanh.  Kỳ nổ: Cả hai xupap vẫn đóng kín. Khi piston ở gần điểm chết trên môi chất bên trong xylanh bị đốt cháy, sinh công và toả nhiệt, áp suất và nhiệt độ tăng vọt lên rất cao đẩy piston đi xuống sinh ra công làm quay trục khuỷu. Ở động cơ 4 kỳ thì kỳ nổ là kỳ sinh công duy nhất.  Kỳ xả: Xupap xả mở, piston đi từ điểm chết dưới đến điểm chết trên đẩy toàn bộ lượng khí đã cháy ra ngoài xylanh. Kết thúc một chu trình của động cơ. Sau đó piston tiếp tục đi xuống lặp lại kỳ hút. Cứ như vậy động cơ vận hành liên tục [4]. Kỳ nạp Kỳ nén Kỳ nổ Kỳ xả Hình 2.3. Các kỳ của động cơ đốt trong 4 kỳ 16 2.2.3. Cấu tạo động cơ đốt trong 2.2.3.1. Bộ phận phát lực Có nhiệm vụ biến áp lực của khí thể cháy trong xylanh thành mômen quay của trục khuỷu động cơ để dẫn động máy công tác. Nhóm chi tiết phát lực bao gồm: - Nhóm piston: Chuyển động tịnh tiến trong xylanh, chịu tác dụng trực tiếp của lực khí thể trong xylanh và truyền lực tác động này lên thanh truyền, trục khuỷu và bánh đà để mang ra ngoài. Nhóm piston bao gồm: + Piston: Là chi tiết chịu lực tác dụng trực tiếp áp lực khí thể trong buồng cháy và truyền lực tác dụng đó qua thanh truyền và trục khuỷu. Cùng với secmăng, xylanh và nắp máy, piston tạo thành buồng khí chứa môi chất công tác. + Secmăng: Có nhiệm vụ bao kín buồng xylanh ngăn dầu bôi trơn vào buồng xylanh trong quá trình động cơ hoạt động và bơm dầu lên bôi trơn thành xylanh. + Chốt piston: Là chi tiết nối piston với thanh truyền và truyền lực tác dụng của khí thể từ piston xuống thanh truyền. Chốt piston thường có cấu tạo hình trụ rỗng và được lắp lỏng với bệ chốt piston và đầu nhỏ thanh truyền. + Thanh truyền: Là chi tiết trung gian, trong đó đầu nhỏ lắp ghép với piston, đầu lớn liên kết với chốt khuỷu. Thanh truyền có nhiệm vụ truyền lực tác dụng từ piston đến trục khuỷu. - Nhóm trục khuỷu - bánh đà + Trục khuỷu: Có nhiệm vụ nhận lực tác dụng từ thanh truyền, biến thành môment quay để kéo máy công tác. + Bánh đà: Có nhiệm vụ tích trữ công dư và phát triển năng lượng giúp cho trục khuỷu quay đều, tạo sự êm dịu cho động cơ. 2.2.3.2. Bộ phận đánh lửa - Bộ chia điện: Nhiệm vụ của bộ chia điện là phân điện áp đến từng bugi theo đúng thứ tự xilanh vào đúng thời điểm, để có thể bật tia lửa đốt cháy hòa khí vào cuối kỳ nén. Bộ chia điện có thể được dẫn từ trục khuỷu hoặc trục cam. Đối với động cơ khảo sát đầu ra của bộ chia điện được nối với 4 bugi tương ứng ở từng xilanh. Thứ tự các bugi tương ứng với một vòng quay bộ chia điện là 1 - 3 - 4 - 2, tương ứng với thứ tự nổ của động cơ. - Bôbin: Là một biến thế, gồm hai cuộn dây; với số vòng khác nhau cùng quấn trên cùng một lõi sắt từ. Số vòng dây của cuộn thứ cấp nhiều hơn gấp nhiều lần số vòng 17 của cuộn sơ cấp. Khi xuất hiện điện áp biến thiên từ cuộn sơ cấp, sinh ra từ trường biến thiên trong lõi sắt từ, từ trường biến thiên này xuyên qua cuộn thứ cấp và sinh ra dòng điện trong cuộn thứ cấp. Nhiệm vụ của Bôbin là tạo ra điện áp rất cao, khoảng 45 - 50 kV. Ở mức điện áp này có thể tạo ra tia lửa điện phóng qua khe hở nhỏ khoảng 2 mm, kèm theo nhiệt và tiếng nổ. Điện áp cao sinh ra từ bôbin được dẫn đến bộ chia điện thông qua các dây dẫn được cách ly cao áp. - Bugi: Nhiệm vụ là tạo ra tia lửa điện nhờ khoảng hở giữa hai cực của bugi. Khi xuất hiện tia lửa, sinh ra nhiệt độ cao và làm bốc cháy hòa khí ngay giữa khoảng hở này Sau khi cháy, màng lửa tiếp tục lan rộng ra khắp buồng cháy. Như vậy hòa khí đã được đốt cháy. 2.2.3.3. Bộ phận phân phối khí Có cấu tạo gồm nhiều bộ phận nhưng quan trọng nhất là các phần sau - Xupap: Có nhiệm vụ đóng mở các cửa nạp và cửa xả. Cấu tạo xupap gồm 3 phân chính: tán xupap, thân xupap và đuôi xupap. - Đũa đẩy: Dùng trong hệ thống phân phối khí có xupap treo. Đũa đẩy có nhiệm vụ truyền lực từ con đội đến đòn bẩy. - Con đội: Gồm có phần thân để dẫn hướng và phần mặt tiếp xúc với cam phân phối khí. Thân con đội có dạng hình trụ còn phần tiếp xúc có nhiều dạng khác nhau. Con đội có nhiệm vụ nhận lực trực tiếp từ cam truyền đến đũa đẩy hay đuôi xupap để đóng mở xupap. - Đòn bẩy: Là chi tiết truyên lực trung gian một đầu tiếp xúc với đũa đẩy, một đầu tiếp xúc với đuôi xupap. Khi trục cam nâng con đội lên, đũa đẩy đẩy vào một đầu của đòn bẩy đi lên, đầu kia đòn bẩy nén lò xo xupap xuống và mở xupap. - Trục cam: Có nhiệm vụ dẫn động xupap đóng mở theo một trình tự nhất định. 2.2.3.4. Bộ phận nhiên liệu Hệ thống nhiên liệu của động cơ đang khảo sát sử dụng phương pháp hoà trộn trước bao gồm các chi tiết: Bình chứa, các ống dẫn, lọc, bơm nhiên liệu, bộ chế hòa khí… Tuy nhiên ở hệ thống nhiên liệu quan trọng nhất là bộ chế hoà khí. Bộ chế hòa khí có nhiệm vụ tạo ra hỗn hợp đồng nhất giữa nhiên liệu và không khí theo một tỉ lệ thích hợp, nhằm giúp cho hỗn hợp này được cháy hoàn toàn. Thông thường tỉ lệ hỗn hợp được tính bằng tỉ lệ khối lượng giữa nhiên liệu và không khí. Đối với động cơ 18 xăng tỉ lệ này là 1:14,7 nhưng đối với động cơ chạy bằng biogas thì tỉ lệ này là 1:12,5 [1]. Các bộ phận chính của bộ chế hoà khí: - Bơm giữ mực: Nhiệm vụ của bình giữ mực là tích trữ một lượng xăng trong nó nhằm đảm bảo cho bộ chế hoà khí làm việc ổn định. Trong bình giữ mực có hệ thống phao, kết cấu của hệ thống phao cho phép đảm bảo nhiệm vụ của bình giữ mực. Khi mực xăng hạ thấp xuống, phao hạ xuống, đồng thời mở van kim cho phép xăng chảy vào trong bình giữ mực; khi mực xăng trong bình dâng cao, phao được nâng lên, van kim đóng lại ngăn không cho xăng tiếp tục chảy vào. - Mạch tốc độ thấp sơ cấp: Nhằm cung cấp nhiên liệu cho động cơ khi làm việc ở chế độ ít tải. - Mạch tốc độ cao sơ cấp: Có nhiệm vụ cung cấp nhiên liệu cho động cơ khi làm việc ở chế độ tải vừa và nặng. - Mạch tốc độ thấp thứ cấp: Giúp cho động cơ không bị giật trong quá trình tăng tốc. - Mạch tốc độ cao thứ cấp: Cung cấp thêm nhiên liệu cần thiết cho động cơ khi chuyển từ chế độ làm việc vừa sang tải nặng. Hình 2.4. Sơ đồ bộ chế hòa khí 19 2.2.3.5. Bộ phận làm mát Két nước, cánh tản nhiệt, quạt gió… có nhiệm vụ nhận nhiệt từ khí cháy truyền qua thành buồng cháy thông qua môi chất làm mát để đảm bảo nhiệt độ các chi tiết trong máy không quá nóng cũng không quá nguội. 2.2.3.6. Bộ phận bôi trơn Cacte dầu, bơm dầu… có nhiệm vụ đưa dầu từ cacte dầu đến các mặt ma sát, lọc sạch những tạp chất lẫn trong dầu nhờ khi dầu nhờn tẩy rửa các mặt ma sát này và bảo vệ các bề mặt của chi tiết máy trong động cơ không bị rỉ, làm giảm ma sát của ổ trục đưa nhiệt lượng phát sinh do ma sát ra khỏi ổ trục. 2.2.4. Cấu tạo động cơ đã đƣợc chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu biogas Về cơ bản động cơ sử dụng nhiên liệu biogas cũng là một động cơ đốt trong nhưng đã được chuyển đổi và thêm vào một số bộ phận cho phù hợp với đặc tính của biogas. Cụ thể như sau - Hệ thống nhiên liệu: Giữ nguyên bộ chế hoà khí, lắp thêm bộ trộn để sử dụng gas. Bộ trộn được lắp vào phía trước của bộ chế hoà khí và sử dụng phương pháp hòa trộn trước. Nhiên liệu và không khí được hòa trộn hình thành hòa khí trước khi hút vào động cơ. Bộ trộn có nhiệm vụ hòa trộn không khí và biogas thành một hỗn hợp có tỉ lệ thích hợp với từng chế độ làm việc của động cơ. Như vậy động cơ vừa có thể chạy bằng nhiên liệu xăng cũng như biogas. Ngoài ra còn có thêm hệ thống điều khiển tự động chuyển mạch nhiên liệu từ xăng khi khởi động sang biogas khi động cơ đã đạt nhiệt độ. - Hệ thống đánh lửa: Giữ nguyên kết cấu, có trích đường tín hiệu xung NE đưa vào mạch điều tốc điện tử. - Hệ thống làm mát: Lắp thêm két nước. - Bộ điều tốc điện tử: Có tác dụng điều chỉnh tốc độ làm việc của động cơ. Bộ điều tốc điện tử dùng động cơ bước trực tiếp điều khiển bướm ga, hoạt động liên tục cùng với động cơ; vi mạch được chọn là AT89C2051 [3]. 2.2.5. Khí thải của động cơ đốt trong Khí thải của động cơ được thải từ xylanh đi ra môi trường, ngoài các sản vật cháy hoàn toàn CO2, H2O, N2, còn chứa các sản vật chưa được cháy hoàn toàn, các sản vật được phân giải từ sản vật cháy hoặc từ nhiên liệu. 20 Bảng 2.7. Hàm lƣợng các chất trong khí thải động cơ[4] 2.2.5.1. Oxit cacbon (COx) Có trong khí thải do thiếu oxy nên C không được cháy hoàn toàn. Đối với động cơ xăng hoạt động với hoà khí đậm lượng CO có thể lên đến 10 - 12 % thể tích sản vật cháy. Ở động cơ diesel CO có thể lên đến 0,5 %. Oxit cacbon ở nhiệt độ cao có thể kết hợp với oxy tạo thành CO2. Chất này cùng với CFC là nguyên nhân chính gây ra hiệu ứng nhà kính làm nhiệt độ trái đất tăng nhanh, ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sống của con người. Chính vì thế hàm lượng oxit cacbon trong khí xả của các loại động cơ luôn là một trong những vấn đề được quan tâm hàng đầu. 2.2.5.2. NOx , H2S và SO2 NOx gồm có NO và NO2 tồn tại ít chỉ khoảng vài mg/lít. H2S và SO2 có trong khí thải động cơ dùng nhiên liệu có lưu huỳnh. Lượng H2S thường rất nhỏ không đáng kể nhưng lượng SO2 có thể lên đến 250 mg/m 3 . NOx cùng với H2S, SO2 khi được thải vào không khí có thể bị biến đổi thành NO3 - , SO4 2- kết hợp với nước ngưng tụ trong mây và rơi xuống thành mưa acid ảnh hưởng lớn đến đời sống của động vật cũng như thực vật trên cạn. Nó làm mất cân bằng quá trình biến dưỡng của cơ thể sinh vật, gây ra một số bệnh cho cây trồng… 2.2.5.3. Các chất hydrocacbua Chứa trong sản vật cháy dưới dạng các chất CnHm. Sự độc hại của nó không kém gì CO, một trong các chất trên là benzơpiren-3,4 rất dễ gây bệnh ung thư. Các chất trong khí thải động cơ Động cơ xăng Động cơ diesel N2 (% thể tích) O2 (% thể tích) Hơi nước (% thể tích) CO2 (% thể tích) CO (% thể tích) 74 - 77 76 - 78 0,3 - 8,8 2 - 18 3,0 - 5,5 0,5 - 4 5,0 - 12 1 - 10 5,0 - 10 0,01 - 0,5 NOx (mg/l) HC (mg/l ) OH (mg/l) 0 - 0,8 0,0002 - 0,5 0,2 - 3 0,009 - 0,5 0 - 0,2 0,001 - 0,009 Benzơpiren-3,4 ( kg/m3) 10 - 20 0 - 10 Muội than (g/m3) 0 - 0,4 0,01 - 1,1 21 2.2.5.4. Các hợp chất của chì Tồn tại trong khí xả của động cơ sử dụng xăng pha chì. Tác hại của các hợp chất với chì cũng rất độc hại. Chì có cấu trúc tương tự như canxi nên nó có thể được hấp thụ vào tế bào thần kinh làm hỏng chức năng tổng quát của tế bào. Những nghiên cứu gần đây cho thấy chì acetate có khả năng gây bệnh ung thư [6]. 22 Chƣơng 3. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1. Thời gian và địa điểm thực hiện đề tài Đề tài được thực hiện từ tháng 3 đến tháng 8 tại trại heo gia đình anh Huỳnh Công Bằng số 23/3 tổ 13, ấp Trung Lân, xã Bà Điểm, huyện Hóc Môn, Thành phố Hồ Chí Minh và tại trại bò trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh. 3.2. Vật liệu và thiết bị sử dụng Biogas được ủ từ phân heo. Xăng A92. Máy phát điện công suất 10 kVA. Đồng hồ đo ampe và volt. Máy đo khí xả. Túi nhựa dẻo trữ gas chiều dài 4,5 m, đường kính 0,75 m. Ống nhựa PVC có đường kính 21 mm. Bóng đèn loại 500 W, 300 W, 100 W, bàn ủi công suất 1000 W. Các dụng cụ khác như: Táp lô lớn, phích cắm điện, công tắc điện, kéo, kềm, băng keo đen, dây điện… 3.3. Phƣơng pháp, bố trí thí nghiệm 3.3.1. Giai đoạn 1 - Chuẩn bị gas nhiên liệu cho chạy máy: Cột kín 2 đầu của túi nylon, một đầu cố định, một đầu mang ống nhựa để trữ, đo lượng gas hoặc dẫn khí vào máy phát điện. Tiến hành nối ống dẫn gas này vào lỗ thoát khí của hầm biogas để trữ gas vào túi. Kiểm tra túi, ống dẫn, van khoá, không để gas xì. Tính toán lượng gas trong túi trữ theo kích thước của túi bằng công thức sau: Lượng gas (m3) = chiều dài túi x 3,14 x (đường kính túi/2)2 - Khảo sát được tiến hành tại Hóc Môn bằng nhiên liệu biogas ở chế độ không tải 3.3.1.1. Bƣớc 1: Khảo sát nồng độ các loại khí thải, hiệu điện thế ở 2 đầu ra của máy phát điện khi hoạt động ở chế độ không tải có công suất nhỏ. 23  Thí nghiệm được ghi nhận 10 lần lặp lại ở 10 thời điểm khác nhau với khoảng cách 7 ngày.  Tiến hành: Dùng ống dẫn gas từ túi trữ vào động cơ, khởi động máy, điều chỉnh bướm gas để máy hoạt động với công suất nhỏ, không tải từ máy ra ngoài các thiết bị điện. - Dùng đồng hồ đo và ghi nhận hiệu điện thế giữa 2 đầu ra của máy. - Cho đầu dò của máy đo khí xả vào ống bô của máy để đo nồng độ các loại khí xả. Thời gian một lần đo là 30 giây. Ghi nhận kết quả đo được, thời gian máy chạy hết lượng gas trong túi. 3.3.1.2. Bƣớc 2: Khảo sát nồng độ các loại khí thải, hiệu điện thế ở 2 đầu ra của máy phát điện khi hoạt động ở chế độ không tải có công suất trung bình. Cách tiến hành thực hiện các giai đoạn như ở bước 1 nhưng thay vào đó máy phát điện được điều chỉnh ở chế độ không tải với công suất trung bình. 3.3.1.3. Bƣớc 3: Khảo sát nồng độ các loại khí xả, hiệu điện thế ở 2 đầu ra của máy phát điện khi hoạt động ở chế độ không tải có công suất cao. Cách tiến hành thực hiện các giai đoạn như ở bước 1 nhưng thay vào đó máy phát điện được điều chỉnh ở chế độ không tải với công suất cao. 3.3.2. Giai đoạn 2  Chuẩn bị Dùng ống dẫn nối gas vào động cơ của máy phát điện. Nối dây tải điện từ máy phát điện ra các thiết bị gồm: 7 bóng đèn tròn công suất 500 W, 1 bàn ủi công suất 1000 W, 6 bóng đèn tròn công suất 300 W, 2 bóng đèn tròn công suất 100 W. Khởi động máy, lần lượt điều chỉnh bướm gas để máy hoạt động ở các chế độ công suất nhỏ, vừa và cao. - Công suất nhỏ: tương ứng tải 3 kW (lần lượt mở 6 bóng tròn có công suất 500 W). - Công suất trung bình: tương ứng tải 5 kW (lần lượt mở tiếp 1 bàn ủi, 2 bóng đèn có công suất 500 W). - Công suất cao: tương ứng tải 7,5 kW (lần lượt mở tiếp các bóng đèn còn lại.)  Khảo sát được tiến hành tại Hóc Môn dùng nhiên liệu biogas ở chế độ có tải. 3.3.2.1. Bƣớc 1: Khảo sát khả năng tải, nồng độ các loại khí thải của máy khi máy hoạt động ở chế độ có tải công suất nhỏ. 24  Thí nghiệm được ghi nhận 10 lần lặp lại ở 10 thời điểm khác nhau với khoảng cách 7 ngày.  Tiến hành: Dùng ống dẫn gas vào động cơ. Nối dây tải điện từ máy ra các thiết bị gồm 6 bóng đèn có công suất 500 W, khởi động máy, điều chỉnh bướm gas sao cho máy hoạt động ở mức thấp. Bật công tắc phát điện sau đó mở lần lượt 6 bóng đèn. Dùng đồng hồ đo và ghi nhận hiệu điện thế, cường độ dòng điện do máy phát ra. Đặt đầu dò của máy đo khí xả vào ống bô của máy để đo nồng độ các loại khí xả. Thời gian đo mỗi lần là 30 giây sau đó rút đầu dò ra. Ghi nhận kết quả, thời gian để máy chạy hết lượng gas trong túi. 3.3.2.2. Bƣớc 2: Khảo sát khả năng tải, nồng độ các loại khí thải của máy khi máy hoạt động ở chế độ có tải công suất trung bình. Cách tiến hành thực hiện các giai đoạn như ở bước 1 nhưng thay vào đó máy phát điện, các thiết bị tải được điều chỉnh ở mức độ trung bình. 3.3.2.3. Bƣớc 3: Khảo sát khả năng tải, nồng độ các loại khí thải của máy khi máy hoạt động ở chế độ có tải công suất cao. Cách tiến hành thực hiện các giai đoạn như ở bước 1 nhưng thay vào đó máy phát điện, các thiết bị tải được điều chỉnh ở mức độ cao. 3.3.3. Giai đoạn 3 Chạy máy phát điện bằng nhiên liệu xăng tại trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh Các bước chuẩn bị, chỉ tiêu, bố trí, tiến hành thí nghiệm giống như phần giai đoạn 1 và 2 nhưng thay nhiên liệu sử dụng là xăng. 25 Chƣơng 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Qua thời gian tiến hành vận hành máy phát điện bằng nhiên liệu xăng hoặc biogas cùng với việc đo đạc và xử lý số liệu chúng tôi thu được những kết quả sau. 4.1. Ảnh hƣởng của tốc độ vận hành máy và lƣợng nhiên liệu lên nồng độ khí thải, hiệu điện thế và lƣợng nhiên liệu tiêu thụ ở chế độ không tải Kết quả khảo sát được trình bày theo giá trị trung bình ở bảng 4.1. Bảng 4.1. Ảnh hƣởng của tốc độ vận hành máy và nhiên liệu lên nồng độ khí thải, hiệu điện thế và lƣợng nhiên liệu tiêu thụ ở chế độ không tải Tốc độ Nhiên liệu Thấp (n = 10) Trung bình (n = 10) Cao (n = 10) Nhiên liệu tiêu thụ Xăng (lít/giờ) 4,05 0,05 4,54 0,04 6,54 0,03 Gas (m 3 /giờ) 3,52 0,04 5,04 0,05 5,98 0,04 Volt Xăng 99,7 1,1 224,5 1,6 377 4,67 Gas 94,9 3,61 166,6 2,3 287,4 6,6 CO (% thể tích) Xăng 6,609 0,01 6,61 0,01 8,84 0,02 Gas 0,08 0,00 0,09 0,00 0,1 0,00 HC (ppm) Xăng 225,4 0,23 554,1 5,82 824,8 3,74 Gas 474 2,06 379 3,0 192 3,11 NOx (ppm) Xăng 11,9 0,07 13,7 0,05 10,75 0,01 Gas 28,57 0,13 26,28 0,08 22,42 0,10 CO2 (% thể tích) Xăng 5,48 0,09 7,91 0,09 8,88 0,13 Gas 6 0,07 7,1 0,04 9,3 0,08 O2 (% thể tích) Xăng 9,05 0,04 1,19 0,03 0,07 0,18 Gas 12,41 0,07 20,69 0,01 7,52 0,06 Xăng 0,81 0,00 0,93 0,00 0,73 0,01 Gas 1,94 0,01 1,78 0,05 1,53 0,01 Hàm lượng khí thải cho phép theo tiêu chuẩn Euro 1 và 2 của chỉ tiêu HC, NOx và CO được trình bày ở bảng 4.2. 26 Bảng 4.2. Bảng tiêu chuẩn khí thải Euro 1 và Euro 2 đối với động cơ xăng [8] Kết quả bảng 4.1. cho thấy khi chạy máy ở tốc độ càng cao thì lượng nhiên liệu tiêu thụ càng nhiều vì khi đó bướm gas được mở rộng làm hoà khí giữa nhiên liệu và không khí nhiều hơn. Tốc độ đốt cháy nhiên liệu nhanh hơn nhằm sinh công nhiều hơn để tăng số vòng quay của máy. Kết quả mức tiêu thụ nhiên liệu tăng theo bướm gas mở rộng được cho thấy ở cả hai loại nhiên liệu chạy bằng xăng hoặc biogas. Ở điều chỉnh bướm gas có công suất thấp đã cho thấy lượng nhiên liệu tiêu thụ bằng xăng là 4,05 lít/giờ; trong lúc đó bằng biogas chỉ là 3,52 m3/giờ. Do đó 1,15 lít xăng tiêu thụ tương đương với 1 m3 gas. Trong lúc đó theo những ghi nhận trước khi đốt 0,9 lít dầu tương đương với 1 m3 mêtan và 1,15 lít xăng tương đương với 1 m3 mêtan. Như vậy so với xăng lượng gas sinh học có mức tiêu thụ nhiên liệu ở công suất thấp của chế độ không tải là thấp hơn nhiều so với các ghi nhận trước đây. Tỉ lệ này cao lên ở mức tiêu thụ nhiên liệu trung bình là 1 m3 gas tương đương với 0,9 lít xăng và thấp xuống ở mức tiêu thụ nhiên liệu cao là 1 m3 gas tương đương với 1,09 lít xăng. Diển biến sai khác này có thể được giải thích như sau: Về nguyên tắc, xăng phải được chuyển từ dạng lỏng sang dạng hơi trước khi được đốt cháy trong pítton, nên khi vận hành máy ở tốc độ thấp sự hòa khí của xăng cao hơn gas, do phải chuyển xăng từ dạng lỏng sang dạng hơi vì thế đã có một phần xăng không được đốt cháy hoàn toàn đã thoát ra ngoài làm nhiên liệu tiêu tốn nhiều hơn. Trong lúc đó, khi vận hành máy ở tốc độ trung bình sự hòa khí của xăng đủ để chạy máy, đồng thời do ban đầu hòa khí của gas thấp nên khi tăng tốc độ lượng gas được máy hút vào tăng nhanh chóng để tăng độ đậm cho hòa khí đảm bảo cho máy hoạt động. Do đó khi chuyển tốc độ máy từ thấp sang trung bình thì lượng gas tiêu thụ tăng nhiều so với xăng. Ngược lại, khi vận hành máy ở tốc độ cao sự hòa khí giữa gas đã ổn định trong khi sự hòa khí của xăng vẫn còn phải chuyển nhiên liệu từ thể lỏng sang thể khí nên lượng xăng tiêu thụ phải nhiều hơn. Kết quả khảo sát so sánh ảnh hưởng của nhiên liệu xăng hoặc biogas lên nồng độ khí thải được trình bày ở bảng 4.1. và hình 4.1. Tiêu chuẩn HC (%V) NOx (%V) CO (%V) Euro 1 1,13 0,14 3,16 Euro 2 0,5 0,19 2,2 27 Biểu đồ so sánh nồng độ HC và NOx khi vận hành máy ở chế độ không tải 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 HC NOx HC NOx Khí thải xăng Khí thải biogas Khí thải Nồ ng đ ộ (p pm ) Thấp Trung bình Cao Hình 4.1. Biểu đồ so sánh lƣợng khí HC, NO2 thải ra của máy sử dụng xăng hoặc biogas ở chế độ không tải Biểu đồ so sánh khí CO, CO2, O2, λ khi vận hành máy ở chế độ không tải 0 2 4 6 8 1 12 14 CO CO2 O2 λ CO CO2 O2 λ Khí thải xăng Khí thải biogas Khí thải Nồ ng đ ộ (% th ể tíc h) Thấp Trung bình Cao Hình 4.2. Biểu đồ lƣợng khí CO, CO2, O2 và thải ra của máy sử dụng xăng hoặc biogas ở chế độ không tải Dựa vào bảng 4.1.; hình 4.1. và hình 4.2. cho thấy trong cả hai trường hợp vận hành máy bằng nhiên liệu biogas hoặc xăng hàm lượng CO trong khí thải đều tăng khi tăng tốc độ vận hành máy từ tốc độ thấp sang trung bình, và giảm ở mức tốc độ cao. Khi sử dụng nhiên liệu là biogas kết quả đo nồng độ CO khi vận hành máy ở 3 mức 28 lần lượt là 0,08 %; 0,09 % và 0,1 % đối với xăng là 6,05 %; 6,61 % và 8,84 % vì khi vận hành máy ở tốc độ cao lượng nhiên liệu đi vào piston nhiều nên một phần đã không được đốt cháy hoàn toàn làm gia tăng lượng CO. Hơn nữa lượng nhiên liệu đốt cháy không hoàn toàn đã sinh ra lượng HC cao trong khí xả khi chạy máy bằng nhiên liệu xăng so với nhiên liệu biogas. Mức khí xả có hàm lượng HC tăng dần khi tăng tốc độ vận hành máy sử dụng nhiên liệu xăng. Điều này có lẽ do trong thành phần của xăng còn có một lượng hydrocacbon làm nhiệm vụ chống kích nổ. Những chất này không bị đốt cháy nhiều khi động cơ hoạt động ở chế độ không tải làm nồng độ HC của máy chạy bằng nhiên liệu xăng có giá trị cao hơn so với nhiên liệu biogas. Quan sát này thấy rõ nhất trong hai trường hợp trung bình và cao. Ở nhiên liệu xăng là 554,1 ppm và 824,8 ppm, đối với nhiên liệu biogas là 379 ppm và 192ppm. Riêng ở tốc độ thấp thì dư lượng HC ở biogas là 474 ppm cao gấp 2 lần so với nhiên liệu xăng là 225,4. Điều này có thể do hàm lượng HC trong máy chạy nhiên liệu biogas chưa bị đốt hết vì thế làm một phần HC thất thoát ra ngoài. Tuy nhiên nồng độ CO2 vẫn tăng khi tăng tốc độ chạy máy vì nhiên liệu bị đốt cháy nhiều hơn khi chạy ở tốc độ cao để sinh công để tăng số vòng quay của máy đồng thời dư lượng O2 giảm xuống. Hàm lượng NOx giảm dần khi tăng tốc độ chạy máy nhưng không đáng kể. Dư lượng NOx khi chạy bằng biogas cao hơn lần lượt là 28,57 ppm; 26,28 ppm và 22,42 ppm so với khi chạy xăng là 11,9 ppm; 13,7 ppm và 10,75 ppm ở cùng một tốc độ bởi vì trong biogas vẫn còn tồn tại một lượng NH3 và N2 khi cháy sẽ chuyển hóa thành NOx. Tuy nhiên, giá trị NOx giảm dần khi tăng tốc độ chạy máy vì khi đó lượng NH3, N2 chưa bị đốt cháy hết có lẽ do hàm lượng CO2 sinh ra từ phản ứng cháy của mêtan đã làm tắt sự đốt cháy nhiên liệu. Đối với máy chạy nhiên biogas thì dư lượng không khí ( ) luôn luôn giảm với tỷ số đáng kể ở 3 trường hợp tốc độ thấp, trung bình và cao lần lượt là 1,94; 1,79 và 1,53. Trong khi đó dư lượng không khí ( ) trong động cơ chạy bằng xăng thì dao động hầu như không đáng kể lần lượt là 0,81; 0,93 và 0,73. Điều này có thể là do bộ chế hoà khí chỉ phù hợp cho động cơ chạy nhiên liệu xăng và được trộn theo tỷ lệ nhất định giữa xăng và không khí, nên khi máy vận hành thì dư lượng không khí ( ) không có sự thay đổi so với động cơ chạy nhiên liệu biogas. Hơn nữa, tỷ lệ trộn giữa thành phần khí trong biogas và không khí thay đổi do đó dư lượng không khí ( ) luôn thay đổi. 29 Đối với tốc độ vận hành máy cao thì dư lượng không khí ( ) thấp nhất, điều này có lẽ do hỗn hợp được trộn quá đậm có nghĩa là lúc này lượng biogas nhiều hơn không khí nên lượng không khí được sử dụng hết vì thế dư lượng không khí ( ) ra ít. Ở mức thấp thì hòa khí được trộn loãng, có nghĩa lượng biogas ít hơn không khí nên lượng không khí chưa được sử dụng hết vì thế dư lượng không khí ( ) thải ra cao. 4.2. Ảnh hƣởng của tốc độ vận hành máy và nhiên liệu lên nồng độ khí thải, hiệu điện thế và lƣợng nhiên liệu tiêu thụ ở chế độ có tải. Kết quả khảo sát được trình bày theo giá trị trung bình ở bảng 4.3. Bảng 4.3. Ảnh hƣởng của tốc độ vận hành máy và nhiên liệu lên nồng độ khí thải, hiệu điện thế và lƣợng nhiên liệu tiêu thụ ở chế độ có tải Tốc độ Nhiên liệu Thấp (n = 10) Trung bình (n = 10) Cao (n = 10) Nhiên liệu tiêu thụ Xăng (lít/giờ) 5,03 0,06 6,54 0,05 8,46 0,05 Gas (m 3 /giờ) 6,1 0,05 9,53 0,04 12,07 0,05 Volt (V) Xăng 215,2 0,33 218,7 0,86 238 0,94 Gas 209,4 10,1 210,6 0,34 214,2 0,42 Ampe (A) Xăng 8,61 0,04 15,56 0,05 29,06 0,07 Gas 8,66 0,05 15,91 0,03 30,42 0,03 Công suất lý thuyết (W) Xăng 3000 5000 7500 Gas 3000 5000 7500 Công suất thực tế (W) Xăng 1853 10,5 3403,3 20 6794,4 36,1 Gas 1811 88,1 3350,6 8,8 6668 13,3 CO (% thể tích) Xăng 7,61 0,07 8,07 0,02 9,05 0,09 Gas 1,11 0,013 1,48 0,05 2,98 0,01 HC (ppm) Xăng 555 4,16 424 0,92 369,7 5,66 Gas 215,5 2,48 234,6 1,86 375,8 1,84 NOx (ppm) Xăng 14,2 0,116 12,6 0,12 10,97 0,13 Gas 15,28 0,06 14,81 0,06 13,58 0,01 CO2 (% thể tích) Xăng 7,96 0,09 8,49 0,1 7,06 0,05 Gas 12,17 0,08 13,46 0,13 11,14 0,05 O2 (% thể tích) Xăng 7,11 0,09 0,98 0,13 0,70 0,02 30 Gas 1,74 0,09 1,52 0,11 1,19 0,01 Xăng 0,96 0,01 0,86 0,01 0,75 0,01 Gas 1,04 0,01 1,01 0,00 0,93 0,00 Dựa vào bảng kết quả cho thấy ở cả 3 mức tốc độ nhỏ, trung bình và cao thì công suất của máy khi chạy bằng nhiên liệu xăng luôn luôn cao hơn biogas mặc dù độ chênh lệch về công suất máy không cao tương ứng là 42 W; 52,7 W và 126,4 W. Điều này hoàn toàn hợp lý vì hoà khí tạo thành giữa không khí với xăng có độ đậm đặc cao hơn hoà khí giữa không khí và biogas nên khi cháy sẽ sinh công nhiều hơn dẫn đến công suất phát điện cũng cao hơn. Muốn cho động cơ sử dụng nhiên liệu biogas đạt công suất cao ứng với mỗi tốc độ thì ta phải điều chỉnh bướm gió để tăng đậm đặc hoà khí của biogas. Ở tốc độ thấp, dao động về giá trị volt và ampe của dòng điện phát ra khi chạy máy bằng nhiên liệu biogas lần lượt là 10,1 V và 0,05 A lớn hơn nhiều so với chạy xăng là 0,33 V và 0,04 A làm cho giá trị công suất thực tế của máy không ổn định. Ở máy vận hành dùng nhiên liệu biogas là 88,1 W, trong khi đó đối với xăng là 10,5 W. Tuy nhiên, khi chạy máy ở mức tốc độ trung bình và cao với nhiên liệu là biogas thì dao động về giá trị công suất thực tế là 8,8 W và 13,3 W còn ở xăng là 20 W và 36,1 W. Từ đó cho thấy độ ổn định của dòng điện khi chạy bằng nhiên liệu biogas cao hơn so với chạy xăng. Điều này sẽ làm tăng tuổi thọ của các thiết bị điện. Khi máy chạy ở tốc độ nhỏ, trung bình và cao thì 1 lít xăng tạo ra được lần lượt là 370,6 W; 507 W và 799 W điện trong khi đó 1 m3 biogas chỉ có thể tạo ra lần lượt là 302 W; 351,6 W và 552,4 W điện. Như vậy, cùng một lượng nhiên liệu xăng hoặc gas nhất định thì tốc độ vận hành máy càng cao sẽ sản xuất ra nhiều điện năng hơn. Theo bảng 4.2. nếu vận hành máy ở tốc độ thấp để tạo ra 1 kW điện ta cần 2,7 lít xăng hay 3,31 m3 gas; trong khi ở tốc độ trung bình là 1,76 lít xăng và 2,8 m3 gas; ở tốc độ cao là 1,25 lít xăng và 1,81 m3 gas. Như vậy, với tốc độ máy chạy càng cao thì lượng nhiên liệu cần để sản xuất ra 1 kW điện càng giảm. 31 Biểu đồ so sánh nồng độ CO, CO2, O2, λ khi vận hành máy ở chế độ có tải 0 2 4 6 8 10 12 14 16 CO CO2 O2 λ CO CO2 O2 λ Khí thải xăng Khí thải biogas Khí thải Nồ ng đ ộ (% th ể t ích ) Thấp Trung bình Cao Hình 4.3. Biểu đồ so sánh lƣợng khí CO, CO2, O2, thải ra của máy bằng xăng hoặc biogas ở chế độ có tải Biểu đồ so sánh lượng khí HC và NOx khi vận hành máy ở chế độ có tải 0 100 200 300 400 500 600 HC NOx HC NOx Khí thải xăng Khí thải biogas Khí thải Nồ ng độ (p pm ) Thấp Trung bình Cao Hình 4.4. Biểu đồ lƣợng khí HC, NO2 thải ra của máy sử dụng xăng hoặc biogas ở chế độ có tải Lượng CO trong thành phần khí xả khi chạy máy bằng nhiên liệu biogas ở cả 3 mức tốc độ luôn có giá trị tăng dần tương ứng là 1,11 % ; 1,48 % và 2,98 % nhưng nhỏ hơn 3,16 % đạt yêu cầu về khí thải theo tiêu chuẩn Euro 1. Trong khi chạy bằng xăng giá trị nồng độ của CO rất cao 8,54 %. Nồng độ HC trong khí xả ở 3 tốc độ trong trường hợp sử dụng xăng tốc độ thấp, trung bình và cao lần lượt là 555 ppm; 424 ppm và 369,7 ppm còn ở biogas là 215,5 32 ppm; 234,6 ppm và 375,8 ppm thấp hơn 1130 ppm trong tiêu chuẩn Euro 1. Tuy nhiên, nồng độ HC trong sử dụng nhiên liệu biogas có giá trị tăng dần còn ở xăng lại giảm dần. Điều này có lẽ khi máy vận hành ở chế độ có tải với tốc độ càng cao thì nhiệt đốt cháy nhiên liệu trong xylanh càng cao, có khả năng đốt cháy 1 phần HC làm giá trị HC giảm xuống. Trong khi đó, ở mức tải cao thì biogas được hút vào nhiều nên không đốt cháy kịp sẽ thoát ra ngoài làm nồng độ HC tăng lên. Nồng độ NOx trong khí xả ở 3 tốc độ khi vận hành máy sử dụng nhiên liệu xăng là 14,2 ppm; 12,6 ppm và 10,37 ppm trong khi ở gas là 15,28 ppm; 14,81 ppm và 13,58 ppm thấp hơn 190 trong tiêu chuẩn Euro 1. Tuy nhiên, nồng độ NOx khi vận hành máy bằng nhiên liệu biogas cao hơn xăng vì hỗn hợp khí khi bốc cháy sẽ tốt hơn xăng. Chính vì vậy nhiệt lượng của hỗn hợp cháy cao hơn, lượng NOx sinh ra nhiều hơn. Trong khí xả của máy sử dụng xăng đã có hàm lượng CO2 khi vận hành máy ở tốc độ thấp là 7,96 %, tăng lên ở tốc độ trung bình 8,49 % và giảm ở tốc độ cao 7,06 % thấp hơn khi vận hành máy bằng nhiên liệu biogas, có hàm lượng CO2 ở các mức độ thấp, trung bình và cao là 12,17 %; 13,46 % và 11,14 % nguyên nhân là do trong biogas đã có sẵn một lượng CO2 cùng với lượng CO2 sinh ra khi đốt cháy mêtan. Khi máy hoạt động ở chế độ cao thì lượng CO2 đột ngột giảm vì khi đó hòa khí nhiên liệu đậm, oxy không đủ để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu, do đó lượng CO2 giảm còn CO tăng lên. Lượng oxy trong thành phần khí xả giảm dần khi tăng tốc độ chạy máy ở cả hai trường hợp vận hành máy bằng nhiên liệu xăng là 7,11 %; 0,98 % và 0,7 %, ở biogas là 1,74 %; 1,52 % và 1,19 % nguyên nhân là do khi chạy máy ở tốc độ cao thì hòa khí giữa nhiên liệu và không khí được hòa trộn đậm đặc hơn. Lượng oxy chủ yếu từ không khí để đốt cháy hàm lượng hòa khí này phải cần nhiều hơn do đó nồng độ oxy trong thành phần khí xả ngày càng giảm đi khi ta tăng tốc độ chạy máy. 33 4.3. Hiệu quả kinh tế của máy nổ phát điện sử dụng biogas hoặc xăng Bảng 4.4. Giá điện tạo ra khi chạy máy bằng biogas hoặc xăng Tốc độ Nhiên liệu Công suất (kW) Nhiên liệu tiêu thụ Giá sản xuất (VNĐ/kW) Thấp Xăng 1853 10,5 5,03 30.700 Biogas 1811 88,1 6,1 2.700 Trung bình Xăng 3403.3 20 6,54 21.700 Biogas 3350,6 8,8 9,53 2.300 Cao Xăng 6794.4 36,1 8,46 14.100 Biogas 6668 13,3 12,07 1.500 Theo trung tâm nghiên cứu năng lượng và môi trường , hội liên hiệp khoa học kỹ thuật Việt Nam giá thành 1 m3 biogas có giá thành là 800 VNĐ. Trong lúc giá điện kinh doanh nhà nước 2500 VNĐ, giá 1 lít xăng là 11.300 VNĐ. Kết quả cho thấy giá điện sản xuất khi vận hành máy phát điện bằng biogas có giá trị thấp hơn giá điện mà các hộ kinh doanh phải trả cho nhà nước bởi giá nhiên liệu biogas là 800 đ/m3 thấp hơn nhiều so với xăng là 11.300 đ/lit. Người dân chỉ phải xây dựng hệ thông hầm ủ là có thể sử dụng biogas. Theo khảo sát tại Trung tâm biogas Trường Đại học Nông Lâm TPHCM thì giá thành các loại hầm ủ được trình bày ở bảng 4.5. Bảng 4.5. Bảng giá thành một số loại hầm biogas Loại hầm Phủ nhựa Túi nylon KT1 Trung Quốc Giá thành (VNĐ/m3) 200.000 400.000 1.000.000 Lượng gas sinh ra từ hầm ủ thay đổi phụ thuộc nhiều yếu tố như loại và lượng phân cho vào, thời gian lưu lại của phân, pH, nhiệt độ điều kiện yếm khi, hóa chất… nhưng trung bình 1 m3 thể tích hầm sẽ sinh ra khoảng 1 m3 gas/ngày. Theo kết quả của chúng tôi khảo sát thì lượng gas này sẽ sản xuất 0,5 kW điện có giá trị vào khoảng 1.250 VNĐ. Như vậy sau 1 năm 1 m3 thể tích hầm sẽ thu lại 1.250 x 365 = 465.000 VNĐ. Kết quả này cho thấy nếu xây hầm ủ phủ nhựa thì sau 160 ngày người dân có thể thu hồi vốn. Nếu xây hầm túi nylon thì thời gian thu hồi vốn là 320 ngày và 800 ngày tương đương năm 2 tháng đối với hầm xây xi măng KT1 Trung Quốc. 34 Rõ ràng từ những kết quả trên đã cho thấy ý nghĩa thực tế và hiệu quả của việc xây dựng hầm ủ chạy máy nổ phát điện phục vụ hoạt động sản xuất ở trang trại. Ở đây chúng ta chưa tính toán đến lợi ích của vệ sinh thú y phòng bệnh gia súc, gia cầm và việc cắt giam khí thải CO2 gây hiệu ứng nhà kính toàn cầu. 35 Chƣơng 5. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 5.1. Kết luận Qua quá trình khảo sát và phân tích những số liệu thu thập được, chúng tôi rút ra những kết luận sau - Máy phát điện chạy bằng nhiên liệu xăng khi chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu biogas đã hoạt động rất tốt và cho công suất không chênh lệch nhiều so với chạy bằng xăng nhưng độ ổn định của dòng điện cao hơn. - Nồng độ các loại khí xả độc hại gây ô nhiễm môi trường khi chạy máy sử dụng nhiên liệu biogas thấp hơn nhiên liệu xăng và đạt tiêu chuẩn Euro 1. - Hiệu quả kinh tế khi chạy máy bằng nhiên liệu biogas cao hơn nhiên liệu xăng. 5.2. Đề nghị - Người sử dụng máy nổ nên chạy máy ở tốc độ cao vì vừa tiết kiệm nhiên liệu vừa có công suất lớn. Hơn nữa dòng điện ổn định hơn nên có thể kéo dài tuổi thọ của các thiết bị tải. - Cần nghiên cứu nhiều hơn nữa về thiết kế bộ trộn và bộ lọc khí để động cơ đạt được hiệu suất cao nhất và lượng khí thải ít ảnh hưởng đến môi trường nhất. - Phổ biến kỹ thuật xây dựng hầm ủ, khuyến khích người dân sử dụng biogas thay thế xăng khi chạy máy nổ phát điện, vừa thu được hiệu quả kinh tế cao vừa chủ động được nguồn năng lượng, đồng thời giảm ô nhiễm môi trường chăn nuôi nhất là ở các nơi vùng sâu vùng xa. - Nên có những chương trình nghiên cứu sử dụng biogas làm nhiên liệu cho xe máy và các loại động cơ khác nhằm tiết kiệm ngoại tệ dùng vào việc nhập khẩu xăng dầu đồng thời giảm áp lực cho ngành năng lượng quốc gia. 36 Chƣơng 6. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt 1. Nguyễn Đình Hùng, 2006. Cấu tạo động cơ đốt trong. Nhà xuất bản Giáo Dục. 2. Dương Nguyên Khang, 2006. Thực hành công nghệ xử lý chất thải. Trường Đại Học Nông Lâm TP.HCM. 3. Bùi Minh Thường và Nguyễn Đức Hoàng Kiêm, 2007. Thiết kế hoàn thiện động cơ sử dụng khí biogas. Luận văn tốt nghiệp. Khoa Kỹ Thuật Giao Thông. Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM. 4. Nguyễn Tất Tiến, 2001. Nguyên lý động cơ đốt trong. Nhà xuất bản Giáo Dục. 5. Nguyễn Văn Triều, 2007. Nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu biogas cho động cơ Honda GX120. Đề tài nghiên cứu khoa học khoa Cơ Khí Giao Thông trường Đại học Bách Khoa TP.HCM. 6. Bùi Cách Tuyến, 2006. Giáo trình độc chất học môi trường. Khoa Công Nghệ Sinh Học. Trường Đại Học Nông Lâm TP.HCM. 7. Bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn, Cục Nông nghiệp, Tổ chức phát triển Hà Lan, 2004. Công nghệ khí sinh học. Tài liệu tập huấn kỹ thuật viên. Tài liệu từ internet 8. 9.