Nghiên Cứu Hệ Thống Phát Điện Từ Phế Thải Nông Nghiệp (Cây Lúa) Tỉnh Kiên Giang.pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM K THUT
THNH PH H CH MINH

/81917+&6
7517+7+$1+



1*+,ầ1&8+7+1*3+ẩ7,173+7+,



1é1*1*+,3&ặ</ề$
71+.,ầ1*,$1*




1*ơ1+.7+87,1

SKC007488

Tp. H Chớ Minh, WKiQJ


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRẦN THẾ THANH

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN TỪ
PHẾ THẢI NÔNG NGHIỆP (CÂY LÚA) TỈNH KIÊN GIANG

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 6052020
Hướng dẫn khoa học:
PGS.TS LÊ CHÍ KIÊN

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2017




Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên

LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: Trần Thế Thanh Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 07/11/1982 Nơi sinh: Kiên Giang
Quê quán: Nam Định Dân tộc: Kinh
Chỗ ở: Số 255, Ấp kinh 4A, xã Tân Hiệp A, huyện Tân Hiệp, tỉnh Kiên Giang
Điện thoại: 0903529768
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung cấp:
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Khơng chính quy. Thời gian đào tạo từ tháng 10/2003 đến tháng

10/2008
Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh.
Ngành học: Điện – Điện tử (Điện Năng).
Tên đồ án, luận án hoặc mơn thi tốt nghiệp: Tính tốn cung cấp điện xí nghiệp
cao su 30/04 Bình Long.
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Năm 2008 tại Trường Đại
học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh.
III. Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Thời gian
Từ tháng 5/2009 đến nay

HVTH: Trần Thế Thanh

Nơi công tác
Điện lực Giống Riềng –
Công ty Điện lực Kiên
Giang

i

Công việc đảm nhiệm
Cán bộ kỹ thuật


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên

LỜI CAM ĐOAN

Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tơi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Kiên Giang, ngày tháng 10 năm 2017
Người cam đoan

Trần Thế Thanh

HVTH: Trần Thế Thanh

ii


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên

LỜI CẢM ƠN
Kính gửi lời cảm ơn đến tất cả người thân trong gia đình cùng đồng nghiệp
đã động viên, ủng hộ và tạo điều kiện tốt nhất dành cho tôi trong quá trình học tập
và nghiên cứu.
Tơi xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Lê Chí Kiên đã tận tình hướng dẫn
cho tôi trong thời gian thực hiện luận văn.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các Thầy/Cô đang giảng dạy tại Khoa
Điện – Điện tử của Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thành phố Hồ Chí Minh đã tận
tâm giảng dạy và giúp đỡ tơi hồn thành tốt chương trình học tập.
Tp.HCM, ngày tháng 10 năm 2017.
Người Viết

Trần Thế Thanh

HVTH: Trần Thế Thanh

iii


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên

TĨM TẮT
Việc nghiên cứu thiết kế bộ tạo hỗn hợp Biogas – không khí để chạy động cơ
diesel kéo máy phát điện. Việc tận dụng các nguồn năng lượng tại chỗ cho sản xuất
sẽ giúp cho người dân tiết kiệm được chi phí sản xuất, làm giảm giá thành sản phẩm,
tăng thu nhập cho người dân, góp phần đẩy mạnh cơng cuộc cơng nghiệp hóa, hiện
đại hóa nơng nghiệp nơng thơn, đảm bảo sự phát triển bền vững của đất nước.
Sử dụng nhiên liệu Biogas để làm nhiên liệu chạy động cơ Diesel sẽ là giảm
mức độ khí thải CO, H2S, NOX… góp phần thực hiện công ước quốc tế về môi
trường mà Việt Nam đã cam kết tham gia.
Tìm ra một giải pháp cho vấn đề sử dụng nguồn nhiên liệu Biogas mà hiện
nay chúng ta đang lãng phí, tránh gây khó khăn cho việc cất giữ nguyên liệu này.
Trong đề tài này chọn phương án thiết kế lưỡng nhiên liệu dầu và Biogas,
dây là phương án dùng cả hai loại nhiên liệu dầu và Biogas, chúng ta có thể chuyển
đổi nhiên liệu bằng các khóa trên từng hệ thống nghiên liệu.
Mặc dù nhiên liệu Biogas hịa trộn tốt hơn, nhưng cơng suất động cơ vẫn
giảm so với sử dụng nhiên liệu dầu, do:
- Hệ số nạo động cơ sử dụng nhiên liệu lớn hơn động cơ sử dụng Biogas, vì
thể tích chứa nhiên liệu khí lớn hơn nhiên liệu lỏng.
- Nhiệt trị thấp Qh của nhiên liệu Biogas thấp hơn nhiên liệu dầu khi chuyển
động cơ từ sử dụng nhiên liệu lỏng sang nhiên liệu khí, động cơ khơng thay đổi vể

mặt kết cấu và lắp thêm bộ hòa trộn trên bộ nạp ngun liệu ngun thủy. vì thế
khơng tận dụng hết tính chất tốt của nhiên liệu.
Do đó cần bổ sung bộ điều tốc vào bộ chuyển đổi nhiên liệu Gas để đảm bảo
cho động cơ kéo máy phát điện chạy bằng Biogas làm việc ổn định ở các chế độ tải
khác nhau.

HVTH: Trần Thế Thanh

iv


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên

ABSTRACT
Design study of Biogas mixer generator - air to drive diesel generator pulls.
Utilizing local energy sources for production will help people save production costs,
reduce production costs, increase incomes for people, and contribute to boosting
industrialization. Modernize rural agriculture, ensure the sustainable development
of the country.
The use of biogas as diesel fuel will reduce CO, H2S and NOx… emissions,
contributing to the implementation of the international convention on environment
that Vietnam has committed to participate in.
Finding a solution to the problem of using the biogas fuel we are currently
wasting, making it difficult to store this material.
In this thesis, we choose the design of fuel oil and biogas. The wire is the
method of using both fuel oil and biogas, we can convert the fuel by the lock on
each system.
Although Biogas fuel mixes better, engine power is still lower than that of oil

fuel, due to:
- The scraper ratio uses more fuel than the biogas engine, because it contains
more gas than liquid fuel.
- The lower Qh value of the Biogas fuel is lower than that of the oil fuel when
the engine is moving from liquid fuel to gas fuel, the engine does not change the
texture and the mixer is attached to the original feeder. So do not take full
advantage of the good nature of the fuel.
It is therefore necessary to add a speed regulator to the gas fuel converter in
order to ensure that biogas powered traction motors work stably at different load.

HVTH: Trần Thế Thanh

v


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên

MỤC LỤC
LÝ LỊCH KHOA HỌC.........................................................................................................i
LỜI CAM ĐOAN................................................................................................................. ii
LỜI CẢM ƠN......................................................................................................................iii
CÁC TỪ VIẾT TẮT........................................................................................................... ix
DANH SÁCH CÁC HÌNH...................................................................................................x
DANH SÁCH CÁC BẢNG............................................................................................... xii
Chương 1...............................................................................................................................1
TỔNG QUAN....................................................................................................................... 1
1.1.Tính cần thiết của đề tài................................................................................................ 1
1.2. Các kết quả nghiên cứu trong và ngồi nước............................................................. 4

1.3. Mục đích đề tài.............................................................................................................. 8
1.4. Nhiệm vụ của đề tài.......................................................................................................8
1.5. Phương pháp nghiên cứu..............................................................................................9
1.6. Điểm mới của đề tài.......................................................................................................9
Chương 2.............................................................................................................................11
CƠ SỞ LÝ THUYẾT......................................................................................................... 11
2.1 Nguyên liệu Lignocellulose.......................................................................................... 11
2.1.1.Cấu trúc lignocellulose..........................................................................................11
2.1.2.Cellulose................................................................................................................. 12
2.1.3.Hemicellulose......................................................................................................... 14
2.1.4.Lignin......................................................................................................................16
2.1.5.Các chất trích ly.....................................................................................................19
2.1.6 Tro.......................................................................................................................... 20
2.2 Q trình sản xuất ethanol từ rơm rạ........................................................................ 21
2.2.1.Tổng quát............................................................................................................... 21
2.2.2.Tiền xử lý................................................................................................................21
2.2.2.1 Các phương pháp tiền xử lý hóa học:...........................................................23
2.2.2.2 Các phương pháp tiền xử lý cơ học.............................................................. 24
2.2.2.3 Nổ hơi nước (Steam explosion)..................................................................... 24
2.2.2.4 Ezyme cellulase...............................................................................................26
2.2.2.5 Cơ chế quá trình thủy phân.......................................................................... 31
2.2.2.6 Các yếu tố ảnh hưởng q trình thủy phân.................................................36
Chương 3:............................................................................................................................41
TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG BIOGAS...... 41

HVTH: Trần Thế Thanh

vi

Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên

I..Tính chọn động cơ.......................................................................................................... 41
3.1. Chọn động cơ............................................................................................................... 41
3.1.1 Giới thiệu động cơ................................................................................................. 41
3.1.2. Những thông số kỹ thuật của động cơ................................................................ 42
3.1.3. Các chi tiết cố định của động cơ.......................................................................... 42
3.1.3.1. Sơ đồ cấu tạo động cơ diesel..............................................................................42
3.1.3.2. Chu trình làm việc lý thuyết..............................................................................43
3.1.3.3. Chu trình làm việc thực tế của động cơ xăng và diesel......................................45
3.1.3.3.1. Kỳ nạp........................................................................................................45
3.1.3.3.2. Kỳ nén........................................................................................................46
3.1.3.3.3. Kỳ nổ..........................................................................................................46
3.1.3.3.4. Kỳ xả..........................................................................................................47
3.1.4. Các thông số kỹ thuật của động cơ.......................................................................... 47
3.1.5. Các thông số chọn của động cơ........................................................................... 47
3.1.6. Thông số tính tốn................................................................................................48
3.1.6.1. Q trình nạp................................................................................................ 48
3.1.6.2. Q trình nén.................................................................................................49
3.1.6.3. Q trình cháy...............................................................................................50
3.1.6.4. Q trình giãn nở.......................................................................................... 53
3.1.6.5. Thơng số chỉ thị............................................................................................. 54
3.1.6.6. Thơng số có ích.............................................................................................. 55
Chương 4.............................................................................................................................57
TÍNH TỐN NHIỆT HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG BIOGAS............. 57
4.1. Tính tốn nhiệt khí động cơ dùng biogas..................................................................57
4.1.1. Lượng khơng khí lý thuyết để đốt cháy hét 1m3 khí biogas (ở đktc).............. 57
4.1.2. Thành phần theo thể tích hỗn hợp nạp vào động cơ.........................................57

4.1.3. Nhiệt trị nhiên liệu khí biogas............................................................................. 58
4.1.4. Thông số kỹ thuật của động cơ........................................................................... 59
4.1.5. Thông số chọn.......................................................................................................59
4.1.6. Thơng số tính tốn................................................................................................59
4.1.6.1. Q trình nạp................................................................................................ 60
4.1.6.2. Quá trình nén.................................................................................................61
4.1.6.3. Quá trình cháy...............................................................................................63
4.1.6.4. Quá trình giãn nở.......................................................................................... 64
4.1.6.5. Thông số chỉ thị............................................................................................. 66

HVTH: Trần Thế Thanh

vii


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên

4.1.6.6. Thơng số có ích.............................................................................................. 66
Chương 5.............................................................................................................................72
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI......................................................... 72
5.1 KẾT LUẬN................................................................................................................... 72
5.2 Hướng phát triển đề tài............................................................................................... 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................. 75

HVTH: Trần Thế Thanh

viii

Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên

CÁC TỪ VIẾT TẮT
- CBH I: enzyme thủy phân Cellobiose – Cellobiohydrolare I
- CBH II: Tạo sự nghịch đảo cấu hình của C1 thành đồng phân α
- CD: Catylgtic domain (trung tâm xúc tác)
- CBD: Cellulose binding domain (trung tâm tạo liên kết với cellulose)
- WDPT: Water drop penetration time (thời gian giọt nước thấm vào vât liệu)
- ĐCT: Điểm cực tiểu xu páp nạp, xả
- ĐCD: Điểm cực đại xu páp nạp, xả

HVTH: Trần Thế Thanh

ix


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên

DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH
TRANG
Hình.1. Chu trình sản xuất sinh khối.......................................................................... 6
Hình 2.1. Cấu trúc của lignocellulose....................................................................... 11
Hình 2.2.Mối quan hệ cellulose – hemicellulose trong cấu trúc lignocellulose ......11
Hình 2.3. Cơng thức hóa học của cellulose...............................................................12

Hình 2.4. Kiểu Fringed fibrillar và kiểu Folding chain............................................ 12
Hình 2.5. Acetyl-4-O-methylglucuronoxylan........................................................... 14
Hình 2.6. Glucomannan.............................................................................................14
Hình 2.7. Galactoglucomannan................................................................................. 14
Hình 2.8. Arabinoglucuronoxylan.............................................................................15
Hình 2.9. Cácđơn vị cơ bản của lignin...................................................................... 16
Hình 2.10. Cấu trúc lignin trong gỗ mềm với các nhóm chức chính........................17
Hình 2.11. Một số ví dụ về chất trích ly (a) abietic acid (oleoresin);
(b) cathechin (flavonoid); (c) palmitic acid (acid béo)..............................................19
Hình 2.12.Sơ đồ quá trình sản xuất ethanol từ rơm rạ.............................................. 21
Hình 2.13. Mơ tả cơ chế q trình nổ hơi................................................................. 25
Hình 2.14. Fufura.......................................................................................................26
Hình 2.15. ydroxymethyl fufural...............................................................................26
Hình 2.16. Tác dụng của từng enzyme trong cellulase.............................................29
Hình 2.17. Cầu nối peptide...................................................................................... 30
Hình 2.18. Quá trình tác động của cellobiohydrolase lên đầu vùng kết tinh của
cellulose...................................................................................................................... 33
Hình 2.19. Cơ chế tác động hiệp đồng của enzyme exo-endo và endo-endo.
Enzyme
endoglucanase tấn công ngẫu nhiên vào cellulose và tạo cơ chất thích hợp cho
enzyme........................................................................................................................ 34

HVTH: Trần Thế Thanh

x


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên

Hinh 2.20. Tóm tắt Quá trình thủy phân................................................................... 35
Hình 2.21. Tốc độ phản ứng enzyme theo nhiệt độ.................................................. 37
Hình 2.22. Ảnh hưởng của pH...................................................................................38
Hình 2.23. Ảnh hưởng của nồng độ enzyme.............................................................38
Hình 2.24. Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất..............................................................39
Hình 2.25. Chất kìm hãm cạnh tranh.........................................................................40
Hình2.26. Chất kìm hãm khơng cạnh tranh.............................................................. 40
Hình 3.1. Cấu trúc chính của đơng cơ....................................................................... 41
Hình 3.2. Cấu trúc buồng đốt nhiên liệu của động cơ dầu........................................41
Hình 3.3. Sơ đồ cấu tạo động cơ diesel bốn kỳ.........................................................43
Hình 3.4. Chu trình làm việc của động cơ diesel............................................................44
Hình 3.5. Sơ đồ pha phối khí của động cơ bốn kỳ..........................................................46
Hình 4.1. Đồ thị cơng................................................................................................ 70
Hình 5.1.Sơ đồ ngun lý hệ thống tạo hỗn hợp cho động cơ diesel kéo máy phát
điện sử dụng khí biogas..............................................................................................72

HVTH: Trần Thế Thanh

xi


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên

DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG
TRANG
Bảng 2.1. Thành phần của vài loại lignocellulose ....................................................11

Bảng 3.1. Các thông số kỹ thuật của động cơ trung quốc.........................................47
Bảng 3.2. Các thông số chọn của động cơ.................................................................47
Bảng 3.3. Các thơng số của q trình nạp................................................................. 49
Bảng 3.4. Các thơng số q trình nén........................................................................50
Bảng 3.5 . Các thơng số q trình cháy..................................................................... 52
Bảng 3.6. Các thơng số q trình giãn nở................................................................. 54
Bảng 3.7. Các thông số chỉ thị................................................................................... 55
Bảng 3.8. Các thơng số có ích................................................................................... 56
Bảng 4.1. Các thơng số chọn..................................................................................... 59
Bảng 4.2. so sánh các thơng số tính tốn q trình nạp........................................... 68
Bảng 4.3. so sánh các thơng số tín tốn q trình nén............................................. 68
Bảng 4.4. so sánh các thơng số tín tốn q trình cháy........................................... 69
Bảng 4.5. so sánh các thơng số tín tốn q trìnhgiãn nở........................................ 69
Bảng 4.6. Các thông số chỉ thị................................................................................... 69
Bảng 4.7. Các thông số có ích................................................................................... 69

HVTH: Trần Thế Thanh

xii


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên

Chương 1

TỔNG QUAN
1.1. Tính cần thiết của đề tài.
Việc chuyển đổi sinh khối thành năng lượng (hay còn gọi là năng lượng sinh

khối) bao gồm nhiều phương pháp khác nhau phụ thuộc vào nguồn ngun liệu,
cơng nghệ chuyển đổi, các hình thức ứng dụng của năng lượng sinh khối và điều
kiện kinh tế của mỗi địa phương, mỗi quốc gia.
Nguồn nguyên liệu sinh khối có thể được sản xuất từ các loại cây trồng năng
lượng chuyên dụng, cây trồng làm chất đốt ngắn ngày, các sản phẩm từ rừng và dư
lượng nông nghiệp như: thân cây, củi, rơm rạ … hay từ các nguồn chất thải công
nghiệp, chất thải hữu cơ hoặc phân động vật. Trong mỗi trường hợp các nguyên liệu
sinh khối phải được thu thập, vận chuyển và lưu trữ trước khi được chế biến thành
dạng nguyên liệu thích hợp cho q trình xử lý. Theo đó, năng lượng sinh khối là
một dạng của năng lượng tái tạo khi sử dụng sẽ giúp giảm tác động có hại của việc
khai thác và sử dụng nhiên liệu hoá thạch như hiện nay. Tuy nhiên, cũng như với
bất kỳ nguồn năng lượng nào khác, năng lượng sinh khối cũng có những hạn chế
nhất định và nó phải cạnh tranh khơng chỉ với nhiên liệu hóa thạch mà cịn với các
nguồn năng lượng tái tạo khác từ gió, năng lượng mặt trời và thủy triều.
Khi sinh khối được tạo thành bởi thực vật là kết quả của quá trình quang
hợp thì một phần năng lượng trong ánh nắng mặt trời được biến đổi thành năng
lượng hóa học, gắn kết nhiều nguyên tử khác nhau để thành phân tử carbonhydrate.
Các loài động vật ăn thực vật và tạo ra biomass của chính chúng từ năng lượng tích
trữ trong biomass của thực vật mà nó ăn vào. Tương tự, các loại động vật ăn thịt
động vật sử dụng sinh khối của động vật mà nó ăn vào để tạo ra sinh khối của chính
nó. Khi thực vật và động vật này chết đi, năng lượng tích tụ trong biomass của
chúng vẫn tồn tại cho đến khi biomass của chúng phân rã tự nhiên hay bị đốt hay
qua quá trình xử lý nhân tạo.

HVTH: Trần Thế Thanh

1


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên

Một phần năng lượng trong biomass được giải phóng khi các phân tử được
đốt hay được sắp xếp lại. Q trình hơ hấp mà nhờ đó động vật và thực vật phá vỡ
các phân tử carbohydrate trong cơ thể của chúng để tạo thành CO2 và nước là một
ví dụ về cách mà năng lượng tích tụ trong phân tử được giải phóng để cung cấp
năng lượng cho các hoạt động sống. Mặt khác, động vật là thành phần tiêu thụ năng
lượng và biomass, và năng lượng mà động vật tích trữ trong cơ thể của chúng ít hơn
năng lượng có trong thức ăn của chúng. Tuy nhiên, các chất hữu cơ thải ra từ cơ thể
chúng chứa một lượng năng lượng trong đó và đã được dùng để sản xuất ra năng
lượng. Khi Biomass được xem là nguồn để sản xuất ra năng lượng, chúng bao gồm
cả động vật và thực vật.
Việt nam là một nước nông nghiệp và hàng năm thải ra một lượng lớn đến
hàng chục triệu tấn các chất phế thải (sinh khối) như trấu, bã mía, vỏ hạt điều, mùn
cưa, rơm. Sử dụng nguồn sinh khối này một cách thích hợp để sản xuất nhiệt và
điện năng sẽ đem lại cơ hội mới cho Nông nghiệp, cải thiện an ninh năng lượng, và
mang lại lợi ích cho mơi trường và xã hội. Vì vậy trong nghiên cứu này sẽ áp dụng
kỹ thuật chuyển sinh khối thành nhiên liệu cho máy phát điện sử dụng trực tiếp ở hộ
gia đình.
Nhiên liệu sinh học (cịn được gọi là nhiên liệu từ nông nghiệp – agrofuel)
theo định nghĩa rộng là những nhiên liệu rắn, lỏng hay khí được chuyển hóa từ sinh
khối. Tuy nhiên, phần này chỉ đề cập chính đến nhiên liệu sinh học dạng lỏng được
sản xuất từ sinh khối. Nói chung, nhiên liệu sinh học mang lại những lợi ích sau:
giảm khí thải nhà kính, giảm gánh nặng lên nhiên liệu hóa thạch, tăng sự an tồn về
năng lượng quốc gia, góp phần phát triển nơng thơn và là một nguồn năng lượng
bền vững trong tương lai. Ngược lại, nhiên liệu sinh học cũng có một số hạn chế:
nguồn nguyên liệu phải được tái tạo nhanh, công nghệ sản xuất phải được thiết kế
và tiến hành sao cho cung cấp lượng nhiên liệu lớn nhất với giá thấp nhất và mang
lại lợi ích về mơi trường nhất. Nhiên liệu sinh học và những dạng nhiên liệu tái tạo

khác nhắm đến tính chất trung tính về carbon. Điều này có nghĩa là carbon được
thải ra trong q trình đốt cháy nhiên liệu để cung cấp năng lượng vận chuyển hay

HVTH: Trần Thế Thanh

2


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên

sinh điện năng được tái hấp thụ và cân bằng với lượng carbon hấp thụ bởi cây cối.
Những cây này sau đó lại được thu hoạch để tiếp tục sản xuất nhiên liệu. Những
nhiên liệu trung tính về carbon khơng gây ra sự tăng carbon trong khí quyển, vì thế
khơng góp phần vào hiệu ứng trái đất nóng lên.
Sau đây là một số các loại nhiên liệu sinh học thế hệ đầu tiên theo phân loại
của tự điển bách khoa toàn thư trực tuyến Wikipedia.org:
- Dầu thực vật: dầu thực vật có thể dùng để làm nhiên liệu sử dụng cho rất
nhiều những loại động cơ diesel đời cũ, và chỉ ở điều kiện khí hậu ấm áp. Trong đa
số trường hợp, dầu thực vật được sử dụng để sản xuất biodiesel.
- Biodiesel: được sản xuất từ dầu hoặc chất béo qua quá trình
tranesterification và là một chất lỏng giống như diesel từ dầu mỏ.
- Bioalcohols: là những rượu được sản xuất từ quá trình lên men sinh học.
Bioalcohols phổ biến là ethanol, rồi đến propanol và butanol.
- Biogas: biogas được sinh ra từ q trình tiêu hủy kỵ khí các chất hữu cơ bởi
các vi sinh vật kỵ khí. Sản phẩm phụ dạng rắn từ q trình này có thể được sử dụng
làm nhiên liệu hoặc phân bón. Biogas chứa chủ yếu là methane.
- Nhiên liệu sinh học dạng rắn: ví dụ như: gỗ, than hoặc phân khô cũng theo
tự điển Wikipedia.org, nhiên liệu sinh học thế hệ thứ 2 bao gồm:

- BioHydrogen: là khí Hydro được sản xuất từ nguồn nguyên liệu sinh khối.
BioHydrogen được dùng trong pin nhiên liệu (fuel cell).
- DMF: được sản xuất DMF từ fructose và glucose sử dụng cơng nghệ sinh
khối-nhiên liệu lỏng có xúc tác.
- Bio-DME: là DME được sản xuất từ biomethanol qua quá trình dehydration
có xúc tác, được sử dụng trong động cơ khí nén.
- Biomethanol: methanol được sản xuất từ sinh khối, có thể được pha vào
dầu đến 10-20% mà khơng làm thay đổi tính chất cơ bản của dầu. Để đảm bảo an
ninh năng lượng bảo vệ môi trường phát triển bền vững, nhiều quốc gia và các tổ
chức quốc tế trong vài thập kỉ qua đã tập trung nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh
học thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch, tiến tới xây dựng ngành “nhiên liệu

HVTH: Trần Thế Thanh

3


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên

sạch” ở quốc gia mình. Các nước đã có thành cơng nghiên cứu và sử dụng nhiên
liệu sinh học là Brazil, Mỹ, Canada, Mexico, Châu Âu có Anh, Pháp, Đức, Tây Ban
Nha, Bỉ, Áo…Châu Á có Trung Quốc, Ấn Độ, Thái Lan, Nhật. Sở dĩ nhiều nước
đẩy nhanh chươngtrình nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh học vì đã cam kết
thực hiện nghị định Kyoto về cắt giảm khí nhà kính và để đảm bảo an ninh năng
lượng khi nguồn dầu mỏ trở nên đắt đỏ và sẽ cạn dần cuối thế kỷ này.
1.2. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
Ngồi nước
Gasohol cịn gọi là xăng sinh học được chế tạo từ hỗn hợp ethanol khan

99,5% pha xăng tỷ lệ 5, 10, 20 hoặc 40% ethanol khan, với hỗn hợp ethanol trong
gasohol khoảng 10-20% thì khơng cần cải tạo động cơ.
Khi xem xét ứng dụng hiện nay của bioethanol, hiển nhiên cần bắt đầu từ
Brazil. Brazil đã thành công trong việc sản xuất bioethanol theo quy mô công
nghiệp từ những năm 1970 khi nước này phụ thuộc nặng nề vào dầu nhập khẩu.
Lệnh cấm vận dầu mỏ của Trung Đông đã bắt buộc Brazil phải tìm kiếm những
nguồn nhiên liệu vững bền hơn cho nhu cầu năng lượng của đất nước. Tuy rằng có
những vấn đề nảy sinh, nhưng chương trình này của Brazil được xem như một mơ
hình thành cơng trong việc phát triển bền vững. Ngày nay, tồn bộ xe hơi ở Brazil
sử dụng xăng có pha ít nhất 25% ethanol, và 60% số xe có khả năng “linh động về
nhiên liệu” (có thể sử dụng 100% ethanol làm nhiên liệu). Brazil sản xuất
bioethanol hầu như chỉ từ cây mía. Trong mơ hình này, mỗi tấn mía cho năng suất
72 lít ethanol. Loại ethanol này có thể được tinh lọc thêm để pha vào xăng, hoặc
dùng làm ethanol nhiên liệu tinh. Rõ ràng con số này cho thấy có rất nhiều thành
phần khơng được sử dụng trong q trình chuyển hóa biomass thành ethanol. Hầu
hết những thành phần này là hemicellulose và cellulose.
Nước Mỹ đang bám theo Brazil và đầu tư mạnh vào sản xuất nhiên liệu sinh
học. Hiện tại Mỹ đang sử dụng tồn bộ xăng có pha 10% ethanol, với những cải tiến
nhằm tăng tỉ số này. Đa phần mọi phương tiện bán ở Mỹ đều phải có động cơ linh
hoạt về nhiên liệu. Liên minh Châu Âu cũng đã tiến đến việc khuyến khích năng

HVTH: Trần Thế Thanh

4


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên

lượng tái sinh cho tương lai với những đạo luật về điều khoản sử dụng phương tiện
giao thông tối thiểu cho các nước thành viên.
Trong tương lai, Colombia bắt buộc những thành phố có dân số trên 500.000
dân phải bán xăng có pha 10% ethanol. Ở Venezuela, công ty dầu quốc gia đang hỗ
trợ dự án xây dựng 15 nhà máy chế cồn từ mía trong 5 năm tới khi chính phủ sắp
ban hành đạo luậtbắt buộc sử dụng xăng E10 (pha 10% ethanol). Chính phủ Canada
nhắm đến việc 45% xăng trong cả nước có pha 10% ethanol vào năm 2010. Ở Đơng
Nam Á, Thái Lan đã ban hành luật cho việc sử dụng xăng pha 10% ethanol bắt đầu
từ 2007. Ở Ấn Độ, một chương trình bioethanol đã kêu gọi người dân sử dụng xăng
E5 trên cả nước, tiến tới việc sử dụng xăng E10 và E20.
Những nghiên cứu hợp tác gần đây giữa trường đại học Stanford và Viện
nghiên cứu khoa học thuộc Đại học California đã chỉ ra rằng việc chuyển đổi sinh
khối thành dạng năng lượng điện năng sẽ có lợi và mang lại hiệu quả hơn nhiều khi
chyển sang các dạng nhiên liệu khác.
Những nghiên cứu được công bố gần đây đã cho thấy, việc sử dụng sinh khối
để sản xuất điện trung bình sẽ có hiệu quả hơn 80% so với chuyển đổi sang các
dạng nhiên liệu sinh học. Thêm vào đó việc chuyển đổi sang dạng điện năng sẽ có
hiệu quả gấp 2 lần về mặt giảm phát thải khí nhà kính. Những nghiên cứu cũng ngụ
ý rằng việc đầu tư vào các công nghệ sản xuất etanol thậm chí là dựa trên những
q trình mang lại hiệu quả nhất có thể là một định hướng sai lầm. Mặc dù
nguồn nhiên liệu sinh khối khi đốt sẽ phát thải ra CO2 nhưng nhìn chung cả quá
trình sẽ phát thải ít CO2 hơn là đốt các nhiên liệuhóa thạch bởi vì nếu tốc độ khai cả
cácthác cùng với tốc độ tái tạo thì lượng sinh khối bổ sung sẽ hấp thụ những khí
phát thải ra của quá trình trước.

HVTH: Trần Thế Thanh

5

Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên

Hình 1.1. Chu trình sản xuất năng lượng sinh khối
Giáo sư Mark Jacobson, Khoa Kỹ thuật Xây dựng và Môi trường của Đại
học Stanford đã thực hiện một nghiên cứu tương tự với mức độ sâu hơn liên quan
đến tác động môi trường của các lựa chọn nguồn năng lượng khác nhau. Mặc dù
ông không ủng hộ sử dụng năng lượng sinh khối ở cả mặt sản xuất điện năng cũng
như chuyển hóa thành etanol, nhưng nghiên cứu của ông cũng chỉ ra rằng chuyển
đổi thành etanol không phải là một lựa chọn hiệu quả. Đốt cháy sinh khối không
thực sự là một cách tốt nhất để sản xuất điện năng nhưng ít nhất hiệu quả hơn việc
chuyển sang dạng nhiên liệu sinh học. Phương tiện di chuyển bằng động cơ điện có
hiệu quả hơn phương tiện có động cơ đốt bằng etanol ít nhất 4 đến 5 lần. Điều này
cũng được kiểm chứng qua các thí nghiệm với mơ hình phân tích nhiên liệu sinh
học (ERG Biofuel Analysis Meta-Model-EBAMM) của Đại học California,
Berkeley. Mơ hình phân tích áp dụng cho các loại xe điện và xe có động cơ đốt
trong bằng nhiên liệu trên các lộ trình khác nhau như trong thành phố và trên đường
quốc lộ. Mặc dù có lộ trình như nhau nhưng xe điện vận hành tốt hơn xe động cơ
đốt trong bằng etanol.
Trong nước
Ở Việt Nam, công nghiệp sản xuất ethanol đã được hình thành từ rất lâu.

HVTH: Trần Thế Thanh

6


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên

Phần đơng ethanol sản xuất từ rỉ đường mía, dùng làm ethanol cho thực phẩm và
công nghiệp. Tổng cộng năng suất là 25 triệu Lit/năm, trong đó có 3 nhà máy sản
xuất 15000 – 30000Lit/ngày là nhà máy đường Lam Sơn, nhà máy đường Hiệp Hồ
và nhà máy rượu Bình Tây và hàng trăm cơ sở sản xuất 3000 – 5000 Lit/ngày. Cho
đến thời điểm này, ethanol nhiên liệu vẫn chưa được tiêu thụ trên thị trường. Tuy
nhiên, có rất nhiều nghiên cứu được thực hiện trong lĩnh vực này. Điển hình là sự
hợp tác giữa Cơng ty rượu Bình Tây, Saigon Petro và Cơng ty Nguyễn Chí từ năm
2005. Các doanh nghiệp này đã triễn khai 5 đề tài: gasohol từ cồn công nghiệp (cồn
96%),gasohol từ cồn khan (cồn 99,5%), đầu tư nhà máy sản xuất gasohol, đầu tư
nhà máy sản xuất cồn công nghiệp, đầu tư nhà máy sản xuất cồn khan. Tất cả nhằm
mục đích đưa xăng sinh học với tỉ lệ 10-12% vào thị trường năng lượng.
Năm 2013 với đề tài công nghệ sản xuất Biogas từ các chất phế thải của các
đơn vị chăn nươi gia sức, gia cầm của thạc sĩ Đào Văn Hân và Tiến sĩ Trần Văn
Vang trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, đề tài đã nghiên cứu đành giá hiệu quả
kinh tế và mơi trường của trại chăn ni Hịa Phú – Hịa Vang thành phố Đà Nẵng,
trên cơ sở nghiên cứu thực tế đề xuất được các phương án cụ thể phù hợp với đặc
điểm của mơ hình trang trại chăn ni để nâng cao được hiệu quả hầm Biogas về
mặt xử lý mơi trường và hiệu q sinh Biogas. Từ đó góp phần tìm ra mơ hình hầm
biogas hiệu quả nhất đối với trang trại chăn ni.
Cần có những nghiên cứu để tăng hiệu quả của bioethanol cũng như của quá
trình chuyển hóa biomass thành nhiên liệu bền vững để thay thế xăng dầu.
Điều này có liên quan đến việc giảm chi phí chuyển hóa, tăng năng suất và
tăng sự đa dạng của các nguồn nguyên liệu có thể sử dụng. Hướng đi cho những
nghiên cứu để phát triển và cải tiến bioethanol là tìm những phương pháp chuyển
hóa hemicellulose thành đường để lên men. Một khía cạnh rất thú vị, và cũng được
nghiên cứu trong đề tài này, là quá trình đường hóa và lên men đồng thời (SSF).
Những phương pháp hiện nay có thể đạt được hiệu suất 50 – 72% ethanol cho mỗi
gam glucose, giới hạn bởi khả năng chịu ảnh hưởng của nấm men đối với ethanol.

Điều này dẫn đến hướng khả thi nghiên cứu những chủng nấm men có khả năng

HVTH: Trần Thế Thanh

7


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên

chịu ức chế tốt hơn. Ở khía cạnh này, cơng nghệ sinh học và vi sinh sẽ đóng vai trị
rất quan trọng trong công nghệ gene, không chỉ ở việc phát triển nấm men, mà còn
ở việc phát triển những giống vi sinh vật khác có khả năng chuyển hóa cellulose và
lignin tạo thành đường và lên men ethanol.
1.3. Mục đích đề tài
Mục đích chính của đề tài này là thiết kế một hệ thống máy phát điện sử
dụng Biogas có cơng suất nhỏ sau đó tiến hành các thử nghiệm để so sánh đối
chứng tiêu thụ nhiên liệu và khí thải của động cơ xăng trước và sau khi lắp bộ tiết
kiệm nhiện liệu. Nhẳm nâng cao hiệu suất phát ra dòng điện và điện áp ổn định của
máy phát. Các thử nghiệm cụ thể được tiến hành như sau:
- Thử nghiệm so sánh điện áp và dòng điện trên máy phát điện, lượng tiêu
thụ nhiên liệu của động cơ sơ cấp sử dụng bộ chế hịa khí trong hai trường hợp có
và khơng có gắn bộ tiết kiệm nhiên liệu khi động cơ diesel vận hành trên cùng một
chu trình thử với những điều kiện thay đổi tốc độ động cơ diesel.
Từ đó đề xuất giải thuật tối ưu khả năng đáp ứng các điều kiện làm việc của
hệ thống phát điện sử dụng Biogas như mức nhiên liệu Biogas cung cấp, ảnh hưởng
sự thay đổi của tải và chi phí lắp đặt hệ thống.
1.4. Nhiệm vụ của đề tài
- Khảo sát và thiết kế công nghệ hệ thống hầm Biogas.

- Thiết kế máy phát điện sử dụng Biogas công suất nhỏ.
- Đánh giá các đặc tuyến I-V, P-V của máy phát điện sử dụng biogas, sự phụ
thuộc các đặc tính I- V, P –V ở các điều kiện khi có lắp bộ tiết kiệm nhiên liệu vào
động cơ sơ cấp ở tốc độ ổn định và không ổn định
- Đánh giá các đặc tuyến I-V, P-V của máy phát điện sử dụng biogas, sự phụ
thuộc các đặc tính I- V, P –V ở các điều kiện khi không lắp bộ tiết kiệm nhiên liệu
vào động cơ sơ cấp ở tốc độ ổn định và không ổn định.
- Đề xuất phương án sử dụng máy phát điện sử dụng nhiên liệu Biogas tối ưu.

HVTH: Trần Thế Thanh

8