Luận văn : KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT 10 KVA SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ BIOGAS Ủ TỪ PHÂN HEO part 2 pdf

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 CO
2
(25 -
50%) và các tạp chất khác như H
2
S, CO, NO
x
…Trong đó mêtan (CH
4
) được mệnh
danh là nhiên liệu sạch, có nhiệt trị cao. Một m
3
CH
4
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 (CH
4
), cacbon dioxit
(CO
2
), hydro sulfit (H
2
S), nitơ (N
2
), 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

CH
4
50 - 70
% thể tích
CO
2
20 - 50
% thể tích
Hơi nước

0,3
% thể tích
N
2
0-5
% thể tích
O
2
0 - 2
% thể tích
NH
3
0 - 1
% thể tích
H
2
S
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% CH
4
; 25 - 40% CO
2

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/m
3
. Như vậy 1,1 m
3
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 m
3

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 CH
4
và CO
2
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 CH
4
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 31
0
C -36
0
C,
dưới 10
0
C 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 20
0
C - 30
0

C 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 1
0
C (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 95
0
F
Tiến trình Thermophylic 130
0
F
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/ft
3
/d
Sản lượng biogas
3 - 8 ft
3
/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
SO
4
2-
5.000 ppm
NaCl
40.000 ppm
NO
2

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
NH
3

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 CO
2
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 CO
2

2.1.6. Tính chất của khí biogas
2.1.6.1. Tính chất vật lý
Nhiệt trị 4 - 8 kWh/m
3

Khối lượng riêng 1,2 kg/m
3

Nhiệt độ bắt lửa 700
0
C
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 (CH
4
)
Mêtan thuộc nhóm parafin có công thức cấu tạo chung C
n
H
2n+1.
 Tính chất vật lý
10

Mêtan là chất khí không màu, không mùi và nhẹ hơn không khí. Nhiệt độ
đông đặc - 182,5
0
C, nhiệt độ hoá lỏng - 161,6
0
C. Ở 25
0
C, áp suất 1 atm, mêtan
có khối lượng riêng 0,660 kg/m
3
.
 Tính chất hoá học
Phương trình cháy: CH
4
+O
2
= CO
2
+ 2 H
2
O
Mêtan là chất dễ cháy; nhiệt độ bắt lửa 537
0
C; nhiệt độ khi cháy có thể đạt
đến 2148
0
C; tỉ lệ có thể bắt lửa 5 - 15 % thể tích. Đốt cháy hoàn toàn 1 m
3

mêtan sinh ra năng lượng khoảng (5500 - 6000) kcal.
 Khí cacbonic (CO
2
)
Khí cacbonic không phản ứng với khí O
2
nên không tham gia vào quá trình
cháy của động cơ. Tuy nhiên, lượng CO
2
có trong biogas quá nhiều làm giảm thể tích
của CH
4
, làm ảnh hưởng đến công suất của động cơ.
 Khí nitơ (N
2
)
 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 25
0
C, 1 atm. Khí nitơ tồn tại ở khắp nơi, chiếm 78,084 % theo thể tích
không khí. Nitơ đông đặc ở 63,34
0
K và hoá lỏng ở 77,4
0
K.
 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 1600
0
C) nitơ phản ứng với O
2
có trong không
khí tạo thành các NO
x
. Tuỳ thuộc vào lượng O
2
tham gia phản ứng mà chất tạo thành
có thể là N
2
O, NO, NO
2,
N
2
O
5
…
 Khí amoniac (NH
3
)
Amoniac còn có tên là hydrogen nitride, spirit of hartshorn, nitrosil, NH
3
…
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/m
3

; nhiệt độ đông đặc - 77,73
0
C; nhiệt độ hoá lỏng - 33,34
0
C. Ở 0
0
C
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 NO
x
. Ví dụ
phản ứng sau xảy ra ở 850
0
C và cần có xúc tác.
4 NH
3
+5 O
2
= 4 NO + 6 H
2
O
11

 Khí hydro sulfua (H
2
S)
 Tính chất vật lý
Là chất khí không màu, có mùi trứng thối. Khối lượng riêng 1,363 Kg/m
3

, nhiệt
độ đông đặc - 82,3
0
C, nhiệt độ hoá lỏng - 60,28
0
C. H
2
S có thể hoà tan vào nước tạo
dung dịch acid H
2
S nhưng độ hoà tan thấp. Ở 40
0
C 0,25 g H
2
S hoà tan hoàn toàn vào
100 ml nước.
 Tính chất hoá học
H
2
S là khí độc ảnh hưởng đến sức khoẻ con người. Lượng H
2
S 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. H
2
S là khí của acid yếu, ít có khả năng ăn mòn kim loại. Tuy
nhiên, ở nhiệt dộ cao H
2
S phản ứng với oxi, tạo ra các hợp chất có tính acid mạnh hơn,
có thể ăn mòn kim loại rất nhanh.

2 H
2
S + 3 O
2
= 2 H
2
SO
3

H
2
S + 2 O
2
= H
2
SO
4

Thành phần H
2
S 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
H
2
S.
 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 m
3
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 m
3
gas)
Tổng lượng gas có thể lấy được: 4.032.000 + 2.525.400 = 6.557.400 m
3
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