Đồ án máy phát điện sử dụng khí biogas

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời đại hiện đại, vấn đề ô nhiễm môi trường đang trở thành một trong những
thách thức lớn nhất mà nhân loại đối mặt. Sự phát triển của công nghiệp và xã hội đã dẫn
đến việc tăng cường sản xuất và tiêu thụ năng lượng, điều này càng khiến lượng khí thải
và chất thải từ các nguồn năng lượng hóa thạch tăng cao, làm ô nhiễm nguồn nước, ô
nhiễm nguồn đất đai, và đặc biệt là các chất thải khí làm ơ nhiễm nguồn khơng khí, làm
thủng tầng ơzơn, gây hiệu ứng nhà kính. Ơ nhiễm khơng chỉ gây ra những hậu quả
nghiêm trọng cho mơi trường tự nhiên mà cịn đe dọa đến sức khỏe và cuộc sống của con
người.

Một xu hướng hiện nay, là nghiên cứu thay thế sử dụng nhiên liệu truyền thống: xăng,
dầu diesl,. bằng các loại nhiên liệu “sạch” cho các loại động cơ như: năng lượng mặt trời,
khí thiên nhiên, khí dầu mỏ hố lỏng, năng lượng điện, khí sinh vật biogas.

Nước ta là nước có nền nơng nghiệp rất phát triển. Hầu như tất cả các vùng trong nước
đều có các hộ chăn nuôi gia súc và phong trào xây dựng các hầm khí biogas quy mơ gia
đình đang rất phát triển , khí biogas được tạo ra từ quá trình phân hủy sinh học của chất
hữu cơ, như phân bò, phân lợn, và các chất thải hữu cơ khác. Do đó số lượng khí biogas
dư thừa là rất lớn. Có nhiều hộ đã sử dụng rất nhiều trong việc nấu ăn mà vẫn khơng hết
khí và cịn thải bớt lên trời vì q nhiều khí trong bình chứa.

Để tận dụng nguồn năng lượng sinh học dư thừa này, nhóm chúng em đã chọn đề tài
Nghiên cứu lắp đặt hệ thống phát điện chạy bằng khí biogas cho hộ gia đình ở vùng sâu,
vùng xa trung tâm. Từ đó ta có thể dùng điện để chạy các thiết bị điện trong nhà từ nguồn
nguyên liệu vô tận tại chỗ, khơng tốn tiền. Giảm được chi phí điện hàng tháng mà ta phải
trả cho ngành điện lực, mang lại lợi ích to lớn cho cộng đồng ở các khu vực vùng sâu,
vùng xa trung tâm, từ việc cung cấp nguồn điện đáng tin cậy đến việc giảm thiểu ô nhiễm
môi trường.

Ngoài lời mở đầu và kết luận, nội dung bài báo cáo thực tập của em gồm 4 chương:

Chương 1:

Chương 2:

Chương 3:

Chương 4:

Do hiểu biết và thời gian cịn hạn chế nên đề tài của nhóm khơng tránh khỏi thiếu sót
và chưa đáp ứng đầy đủ tính khoa học của đề tài , nhóm rất mong nhận được sự góp ý chỉ
bảo của các thầy cơ để đề tài của nhóm được hồn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn !

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGUYÊN CỨU

1.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGUYÊN CỨU

1.1.1 Giới thiệu về Biogas
Biogas là từ ghép của Bio-fuel và Gas nghĩa là khí sinh học. Khí sinh học biogas là tổ

hợp metan (CH4), cacbonic (CO2) và các sản phẩm khác được sản xuất ra từ quá trình
phân huỷ xác động vật và các chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí.

Các loại chất thải có thể làm nguồn cung cấp cho q trình sản xuất khí sinh học
biogas:
- Chất thải của con người.
- Chất thải của động vật như: lợn, trâu, bị, gia cầm....
- Rác thải sinh hoạt, nơng nghiệp, công nghiệp.

Nguồn chất thải từ con người và động vật là nguồn sinh khí biogas vơ tận, nếu chúng ta
biết tận dụng chúng để làm nguồn nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu truyền thống để sử
dụng cho động cơ đốt trong thì đây là một phương pháp hữu ích.
1.1.2 Mục đích và ý nghĩa của đề tài
1.1.2.1 Mục đích của đề tài

Nghiên cứu thiết kế bộ tạo hỗn hợp Biogas để chạy động cơ máy điện cho hộ gia đình
ở vùng sâu, vùng xa trung tâm. Từ đó ta có thể dùng điện để chạy các thiết bị điện trong
nhà qua đó tận dụng được nguồn năng lượng tại chỗ. Việc tận dụng các nguồn năng lượng
tại chỗ sẽ giúp cho người dân tiết kiệm kinh phí, 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.

1.1.2.2 Ý nghĩa của đề tài

Sử dụng nhiên liệu khí Biogas làm nguồn nhiên liệu sạch chạy cho động cơ máy phát
điện, góp phần làm giảm ơ nhiễm mơi trường và giảm mức độ phát thải khí CO2,Nox ,
CO,.. ( đốt cháy được khí CH4 gây hiệu ứng nhà kính gấp 21 lần so với khí CO2).

Tìm ra giải pháp cho vấn đề sử dụng nguồn nhiều liệu Biogas mà hiện nay chúng ta
đang lãng phí.

Biogas là nguồn nhiên liệu thay thế cho xăng, dầu có nguy cơ cạn kiệt.

1.2 TỔNG QUAN VỀ BIOGAS

1.2.1 Vấn đề năng lượng hiện nay

Dân số thế giới ngày càng tăng khiến cho nhu cầu tiêu thụ năng lượng cũng tăng theo

nên nhu cầu về năng lượng là rất cần thiết, trong khi các nguồn năng lượng dự trữ như
than đá, dầu mỏ, khí đốt thiên nhiên và ngay cả thủy điện là có hạn khiến cho nhân loại có
nguy cơ dứng trước việc thiếu năng lượng. Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng
lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng gió, năng lượng mặt trời ... là một trong
những hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng. Do đó việc nghiên cứu sử
dụng các nguồn khí sinh học (biogas) đã được triển khai và đạt được một số thành tựu
đáng kể ở nhiều nước nhất là các nước đang phát triển Châu Á.

1.2.2 Tình hình phát triển Biogas

 Trên thế giới

Hiện nay ở quy mơ tồn cầu, Biogas là nguồn năng lượng lớn. Tổng sản lượng ứng
dụng chiếm 9% đến 10 % tổng năng lượng trên thế giới.

Theo tính tốn, nếu tận dụng xử lý được hết nguồn phế thải tồn cầu thì hàng năm
người ta có thể tạo 200 tỷ mỏ khí sinh học, tương đương 150 đến 200 triệu tấn nhiên liệu
và kèm theo nó là khoảng 20 triệu tấn phân bón hữu cơ chất lượng cao.

Có thể nói rằng, Ấn Độ và Trung Quốc là hai quốc gia có sự phát triển nhanh chóng
về cơng nghệ xây dựng các bể lên men metan.

- Ấn Độ

Cơng nghệ khí sinh học bắt đầu ở Ấn Độ bắt đầu từ năm 1897. Ban đầu, các trạm
Biogas chỉ có quy mơ hộ gia đình. Hàng năm có khoảng 200.000 hộ gia đình Ấn Độ
chuyển từ sử dụng năng lượng củi đốt sang sử dụng Biogas. Năm 1985, Ấn Độ có khoảng
1 triệu bể với chi phí xây dựng khoảng 55 triệu đơ la. Tính tới năm 1999 đã có tới 2,9
triệu cơng trình hầm khí sinh học gia đình và 2700 cơng trình hầm khí tập thể xử lý phân
người được xây dựng. Ước tính số cơng trình này hàng năm tiết kiệm 3 triệu tấn củi và

0,7 triệu tấn Urê. Tháng 3 năm 2000, Ấn Độ có 3 triệu cơng trình hầm khí sinh học.

- Trung Quốc

Lịch sử phát triển khí sinh học ở Trung Quốc bắt đầu từ cuối thế kỷ XIX. Năm 1978
đã xây dựng 7,5 triệu bể với hàng năm tạo ra khoảng 2,5 tỷ m³ khí metan, tương đương
1,5 triệu tấn dầu mỏ. Cho đến năm 1979, trên lãnh thổ Trung Quốc đã có 301 trạm phát
điện nhỏ sử dụng khí Biogas. Riêng ở tỉnh Sichuan các trạm này có tổng cơng suất là
1.500kW. Đến 1985, Trung Quốc đã xây dựng được 70 triệu bể khí metan. Từ những năm
cuối của thập kỉ 80 của thế kỉ trước, người ta đã tính tốn tới việc sử dụng năng lượng
sinh học để thay thế các dạng năng lượng sử dụng nhiên liệu hóa thạch và Biogas trở
thành đối tượng cho chương trình nghiên cứu năng lượng phục vụ nông thôn của Trung
tâm Nghiên cứu Ứng dụng năng lượng và công nghệ mới – Bộ nông nghiệp Trung Quốc (
1994). Cuối năm 2003, Trung Quốc có hơn 9,7 triệu hầm cho các hộ gia đình trên tồn
quốc. Trên 90% hầm đang hoạt động tốt, sản xuất ra khoảng 2.980.000 m³/năm. Biogas
chủ yếu được sử dụng vào mục đích đun nấu, thắp sáng và chạy các động cơ phát diện.

 Tại Việt Nam

Cơng nghệ khí sinh học đã được nghiên cứu và ứng dụng ở Việt Nam từ những năm
1960. Lịch sử phát triển cơng nghệ khí sinh học ở Việt Nam chia thành 4 thời kỳ chính.

- Thời kỳ 1960 – 1975:

Đã tiến hành thí nghiệm biện pháp sản xuất khí metan từ phân động vật nhưng cuối
cùng cũng không thành công. Nguyên nhân là do nhập cảnh ồ ạt các loại khí đốt Butan,
Propan và phân hóa học.

- Thời kỳ 1976 – 1980:

Chế tạo thiết bị sản xuất khí sinh học loại nắp nổi bằng tôn, bể phân hủy xây bằng gạch
và cổ bể có gioăng nước để giữ kín khí được tích trong nắp chứa khí. Tuy nhiên, việc thử
nghiệm trên bị thất bại do kỹ thuật và quản lý.

- Thời kỳ 1981 – 1990:

Trong hai kế hoạch 5 năm (1981-1985 và 1986-1990), cơng nghệ khí sinh học đã trở
thành một trong những lĩnh vực được ưu tiên.

Năm 1990, TP Hồ Chí Minh có trên 700 cơng trình, Đồng Nai có 468 cơng trình, Hậu
Giang có 240 cơng trình, Hà Bắc có 50, Lai Châu có 40, Quảng Ngãi có 43 cơng trình .....

Nói chung tồn quốc có khoảng 2000 cơng trình. Đa số các cơng trình đều hoạt động
tốt, với thể tích khoảng 2/200 m³.

- Thời kỳ 1991 tới nay:

Những năm 1991 trở lại đây nhiều nhà khoa học trong nước đã nghiên cứu, triển khai
nhiều cơng trình xử lý chất thải bằng hệ thống khí sinh học Biogas (mơ hình hình cầu của
Viện năng lượng với thể tích 5 m³, 7 m³, 8 m³, 10 m³, 15 m³) đã tạo ra một nguồn phân
bón đáng kể, khả năng giải quyết nguồn năng lượng sạch tại chỗ và giảm thiểu ô nhiễm
môi trường. Ở miền Trung, Tây Nguyên, hàng loạt các mơ hình bể Biogas cũng được áp
dụng cho các hộ chăn nuôi gia súc, các nông trường chăn nuôi trên địa bàn như mơ hình
của Trung tâm Năng lượng mới (Sở khoa học công nghệ thành phố Đà Nẵng, mơ hình bể
Biogas phá váng tự động của Phân Viện bảo hộ lao động và Bảo vệ Môi trường miền
Trung, Tây nguyên. Nhiều tổ chức quốc tế đang quan tâm phát triển công nghệ ở Việt
Nam: họ tổ chức nhiều hội thảo, tài trợ nhiều dự án phát triển năng lượng sinh khối ở
nước ta. Các dự án năng lượng sinh khối có cơ hội tận dụng cơ chế phát triển sạch (CDM)

để thu hút vốn đầu tư. Nhiều công nghệ đã được hồn thiện, ứng dụng thương mại nên

Việt Nam có thể nhập và ứng dụng, tránh được rủi ro về cơng nghệ.

Hiện nay mơ hình xử lý phân gia súc, gia cầm bằng hệ thống Biogas đang ngày càng
phổ biến ở Việt Nam.

Đối với các cơ sở chăn nuôi lớn, hệ thống Biogas được xây dựng với quy mơ lớn, trình
độ kỹ thuật cao, điều kiện giám sát chặt chẽ. Các hệ thống này đem lại tác dụng rất lớn
trong việc xử lý phân và nước thải khổng lồ thải ra mỗi ngày, loại bỏ được nguy cơ gây ô
nhiễm môi trường, lây lan dịch bệnh cho cộng đồng và sản xuất gas cho các hệ thống phát
điện nội bộ. Ngoài ra, khi xây dựng hệ thống Biogas, người ta thường kết hợp với dây
chuyền sản xuất phân hưu cơ, đem lại thêm một nguồn lợi kinh tế đáng kể.

Đối với qui mơ chăn ni hộ gia đình, mơ hình xử lý Biogas bằng plastic đang phát
triển rộng rãi do đặc điểm giá rẻ, dễ lắp đặt và phù hợp với mơ hình nơng trại kết hợp.
Các mơ hình nhỏ này giúp các hộ nông dân xử lý được phân và chất thải gia súc, tránh ô
nhiễm môi trường, nhất là các khu vực có các hộ chăn ni tập trung cao ở miền Bắc,
cung cấp gas làm giảm chi phí hoạt động cho gia đình và nước thải ra sau khi xử lý đem
bón cho cây trồng rất tốt.

Các khu vực đang tập trung nhân rộng mô hình Biogas hiện nay: ở niềm Bắc tập trung
các huyện Đan Phượng, Quốc Oai (Hà Nội) theo dự án SGP/VN/98/003, ở miền Nam tập
trung ở lân cận thành phố Hồ Chí Minh và ở Tây Nam Bộ thì tập trung ở Cần Thơ.

Chương 2. ĐẶC TÍNH KHÍ BIOGAS

2.1 THÀNH PHẦN CHỦ YẾU CỦA BIOGAS

Biogas từ các nguồn khác nhau thì có chất lượng tương đối khác nhau và phụ thuộc
vào một số yếu tố nhất định. Thành phần của Biogas phụ thuộc vào loại chất thải bị phân
huỷ, độ dài của thời gian lưu trong đó chất thải trải qua q trình phân huỷ. Biogas sinh ra

từ q trình phân huỷ, khí là hỗn hợp của nhiều loại khí. Hỗn hợp này thơng thường bao
gồm 60-70% CH4, 30-40% CO2, và ít hơn 1% hydrogen sulfide (H2S). Hàm lượng H2S
nói chung vào khoảng từ 100 đến 2000 ppm. Thỉnh thoảng cũng gặp trường hợp nhỏ hơn
2 ppm và cao hơn 8000 ppm. Lượng vết nitrogen (đến 10%), hydrogen (đến 5%), oxygen,
và các thành phần khác cũng có thể có mặt với nồng độ khác nhau. Tuy nhiên, do hàm
lượng của chúng quá nhỏ, nên chúng rất khó phát hiện và thường chẳng quan trọng.

Biogas sau khi qua lọc thì thành phần gồm 70-90% CH4, 9-29% CO2.

2.2 TÍNH CHẤT VẬT LÝ

Khí Biogas là một hỗn hợp khí sinh ra từ sự phân hủy các hợp chất hữu trong môi
trường yếm khí: Hỗn hợp này có thành phần chính gồm có CH4 chiếm tỷ lệ lớn và CO2 .
Các tính chất vậy lý liên quan đến chúng sẽ được liệt kê ở dưới đây:

Hình 2. 1: Một số tính chất của Biogas
2.2.1 Nhiệt trị và khối lượng riêng

Nhiệt trị của nhiên liệu là nhiệt lượng giải phóng ra khi đốt cháy hoàn toàn 1kg
nhiên liệu và sản phẩm được làm nguội tới điều kiện tiêu chuẩn, đơn vị đo là kJ/kg
hoặc MJ/kg.

Nhiệt trị thấp Qh: là nhiệt lượng thu được khi đốt cháy hoàn toàn 1 đơn vị khối
lượng (1kg) hoặc 1 đơn vị thể tích (1m³).
Qh = Qo-2,512 x (9H- W) MJ/kg.
Trong đó: Qo – nhiệt trị cao;
2,512 MJ/kg – Nhiệt ẩn hóa hơi của 1 kg hơi nước
9H – Lượng hơi nước hình thành khi đốt cháy H kg Hydro có trong 1 kg nhiên liệu.
W− Lượng hơi nước chứa trong 1 kg nhiên liệu.

Nhiệt trị cao Qo: là nhiệt lượng thu được khi đốt cháy hoàn toàn 1 đơn vị khối
lượng (1kg) nhiên liệu có kể cả số nhiệt lượng tỏa ra do ngưng tụ hơi nước chứa
trong sản phẩm cháy khi ta làm lạnh nó đến nhiệt độ bằng nhiệt độ trước khi cháy.

Vì vậy, Qh thấp hơn Qo một trị số = nhiệt ẩn hóa hơi của nước chứa trong sản
phẩm cháy.

Thơng thường Biogas có nhiệt trị khoảng 37-50 MJ/kg. Nhiệt trị phụ thuộc vào
lượng khí metan có trong thành phần của khí Biogas. Lượng khí CH4, chiếm thể
tích càng lớn thì nhiệt trị càng cao.

Hình 2. 2: Nhiệt trị của Biogas theo khối lượng riêng và phần trăm thể tích CH4

Khối lương riêng của CH4: 0,66 kg/ m³.

Hình 2. 3: Khối lượng riêng của khí Biogas theo nhiệt độ và áp suất
2.2.2 Giới hạn cháy

Giới hạn cháy của biogas là giới hạn dưới và giới hạn trên hàm lượng Biogas (% thể
tích Biogas) trong hỗn hợp Biogas mà hỗn hợp có thể cháy. Giới hạn cháy của Biogas
phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng CH4 trong khí Biogas.

Hình 2. 4: Giới hạn cháy phụ thuộc vào % thể tích CH4 và hơi nước trong khí Biogas
Từ đồ thị (hình 2.4) ta thấy rằng hàm lượng khí metan trong khí biogas tăng thì
giới hạn cháy giảm, giới hạn cháy là một thông số quan trọng trong việc thiết kế bộ
hịa trộn biogas, khơng khí của thiết bị động cơ nhiệt, cũng như hệ thống chống và
báo cháy Biogas trong hệ thống lưu trữ và phân phối Biogas.

2.2.3 Nhiệt độ cháy cáo nhất
Nhiệt độ cháy cao nhất của hỗn hợp Biogas và khơng khí là một thông số quan

trọng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất nhiệt, nhiệt độ của thiết bị động cơ nhiệt và
hàm lượng NOx trong khí thải của các thiết bị động cơ nhiệt.

Hình 2. 5: Nhiệt độ cháy phụ thuộc vào % thể thích CH4 và hơi nước trong khí Biogas
Từ đồ thị (hình 2.5) ta thấy rằng % CH4 trong Biogas càng lớn thì nhiệt độ cháy
càng cao. Nhiệt độ cháy là một thông số quan trọng trong việc thiết kế kết cấu
buồng cháy, hệ thống làm mát, hệ thống bôi trơn, hệ thống thải,... của thiết bị động
cơ nhiệt.

2.2.4 Nhiệt độ tự cháy và chỉ số octane
Nhiệt độ tự cháy là nhiệt độ mà ở đó vật chất tự cháy mà khơng cần sự hiện diện của

tia lửa hay ngọn lửa mồi. CH 4 là nhiên liệu khí có nhiệt độ tự cháy rất cao, nên biogas
có nhiệt độ tự cháy cao khoảng 482-632 °C. Với nhiệt độ tự cháy cao như vậy CH4 được
đánh giá là nhiên liệu có khả năng cháy chống kích nổ cao với chỉ số octane 120.

Hình 2. 6: Nhiệt độ tự cháy của các nhiên liệu
2.2.5 Vận tốc cháy

Vận tốc cháy của hỗn hợp Biogas là vận tốc lan truyền màng lửa trong hỗn hợp Biogas.
Thông số này quyêt định đến kết cấu buồng cháy của thiết bị cháy, thời điểm đánh lửa
hoặc thời điểm phun nhiên liệu mồi. Vận tốc ngọn lửa phụ thuộc vào % thể tích CH4 trong
hỗn hợp Biogas và % thể tích CO 2 trong Biogas.

Hình 2. 7: Vận tốc cháy phụ thuộc vào lượng CH4, CO 2 trong khí biogas
Từ đồ thị (hình 2.7) ta thấy rằng hàm lượng CO 2 tăng thì vận tốc lan tràn màng lửa
sẽ giảm. Tuy nhiên, vận tốc lan truyền màng lửa của hỗn hợp Biogas không biến đổi
tuyến tính theo sự thay đổi hàm lượng CH 4 trong hỗn hợp, và vận tốc lan truyền màng
lửa đạt giá trị lớn nhất khi % thể tích CH 4 khoảng 9%-10% thể tích hỗn hợp.

2.3 TÍNH CHẤT HĨA HỌC
2.3.1 Cơng thức phân tử và công thức cấu tạo
- Công thức phân tử là : CH4
- Công thức cấu tạo :

Hình 2. 8: Cơng thức cấu tạo CH4