CHƯƠNG 2 NĂNG LƯỢNG TỪ BIOMASS pdf

CHƯƠNG 2
NĂNG LƯỢNG TỪ BIOMASS
2.1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ BIOMASS
2.1.1. Khái niệm về biomass
Biomass là các chất hữu cơ có thể sinh nhiệt năng (trừ nhiên liệu hóa thạch),
bao gồm gỗ, củi, rơm rạ, thân cây cỏ, phân động vật khô, ….
Năng lượng từ biomass đã được con người biết đến và sử dụng từ lâu. Tuy
nhiên biomass bị quên lãng do sự lấn át của các loại thiết bị chuyển đổi năng lượng
cả trên phương diện kỹ thuật, công nghệ và kinh tế. Gần đây, nhu cầu về năng lượng
cung cấp cho các phương tiện chuyển động ngày càng tăng đồng thời ý thức về môi
trường cũng tăng lên trong khuôn khổ toàn cầu đã buộc chúng ta phải suy nghĩ lại về
việc sử dụng biomass.
Hàng năm khối lượng biomass được sản xuất ra trên toàn cầu là rất lớn.
Biomass có thể được đốt cháy trực tiếp để sinh nhiệt hoặc được chế biến thành các
dạng nhiên liệu rắn, lỏng hoặc khí. Hình 2.1. trình bày tổng quát các phương pháp
sử dụng biomass.

Hình 2.1. Các phương pháp sử dụng biomass.
Theo lý thuyết, năng lượng hữu ích lấy ra từ biomass gấp khoảng 6 lần nhu cầu
năng lượng hiện nay trên toàn thế giới. Tuy nhiên, để có thể thay thế nhiên liệu hoá
thạch bằng năng lượng từ biomass là cả một vấn đề lớn, lâu dài, bởi vì bên cạnh
63
Nguồn Biomass: gỗ,
thân cây, cành cây,
rơm rạ, phân gia súc,
Các quá
trình chế
biến: nhiệt
phân, lên
men, yếm
khí, …

Nhiên liệu trung
gian: than củi, khí
tổng hợp, khí metan,
nhiên liệu lỏng,
etanol, …
Nhiên liệu
Biomass
Nhiệt
năng
Điện
năng
Cơ
năng
Động cơ
nhiệt
Máy
phát điện
những ưu điểm, việc sử dụng năng lượng từ biomass hiện tại còn gặp một số khó
khăn như sau:
-
Ưu điểm:
1. Rất sẵn có và phân bố rộng khắp trên toàn thế giới.
2. Có thể dự trữ được
3. Có khả năng tái tạo
4. Chuyển đổi dễ dàng
5. Mức đầu tư đa dạng tuỳ thuộc vào công nghệ, có thể giảm đến mức tối
thiểu nên phù hợp với mọi đối tượng có mức độ thu nhập khác nhau.
6. Có thể có tính kinh tế trong những điều kiện đặc thù của địa phương, nhất
là những đơn vị kinh tế nhỏ có điều kiện vận chuyển phù hợp.
7. Có thể phát triển ở trình độ thủ công.

8. Tạo việc làm và tăng thu nhập.
9. Không gây hại cho hệ sinh thái và an toàn đối với môi trường.
10.Không làm tăng lượng khí nhà kính CO
2
trong khí quyển.
- Hạn chế:
1. Đòi hỏi diện tích đất sử dụng lớn, cạnh tranh với đất canh tác
2. Nguồn cung cấp không chắc chắn trong thời gian đầu.
3. Yêu cầu chi phí về phân bón, đất và nước.
4. Cồng kềnh, khó khăn trong khâu vận chuyển và dự trữ.
5. Thay đổi thất thường theo điều kiện khí hậu.
2.1.2. Các nguồn nguyên liệu biomass
Các nguồn nguyên liệu để sản xuất năng lượng sinh học bao gồm phế thải nông
nghiệp, các loại thực vật cho năng lượng, thực vật biển và tảo. Các nguồn biomass
này trải rộng trên toàn cầu và được coi là nguồn nhiên liệu bổ sung quan trọng cho
dầu mỏ.
a) Nguồn phế thải nông nghiệp
- Phế thải thực vật
Nhiều nghiên cứu đã được tiến hành để xác định số lượng phế thải thực vật
được sản xuất trên nhiều vùng khác nhau. Thông tin thu thập được từ các chương
trình nghiên cứu này bao gồm: sản lượng hàng năm, cách sử dụng hiện tại, phương
pháp sử dụng đề nghị và những cản trở việc sử dụng phế thải đúng cách.
Các phế thải dễ tiếp cận như vỏ trấu, thân, cành cây, lá, cuống hoa, dây leo và
rễ luôn là những nguồn năng lượng quan trọng ở vùng nông thôn tại các nước đang
phát triển. Số lượng phế thải của mỗi loại cây trồng được ước tính dựa vào hệ số phế
thải như trình bày trong bảng 2.1. Khoảng giá trị của mỗi hệ số tương đối rộng do
phương pháp thu hoạch khác nhau, đồng thời có thể do số liệu thu thập không chính
xác, nhưng một điều hiển nhiên là số lượng phế thải thu được hàng năm là rất lớn.
64
Khi nhân hệ số phế thải này với diện tích canh tác các loại cây trồng có thể ước tính

lượng phế thải sản xuất ở các nước khác nhau và trên toàn thế giới (bảng 2.2).
Bảng 2.1. Hệ số phế thải đối với một số cây trồng chính
STT Cây trồng Hệ số phế thải
1 Lúa 0,75 – 2,51
2 Lúa mì 1,10 – 2,57
3 Ngô 0,55 – 1,30
4 Lúa mạch 0,82 – 1,50
5 Yến mạch 1,20 – 1,75
6 Luá miến 0,85 – 1,90
7 Khoai tây 0,20 – 0,30
8 Đậu tương 1,10 – 2,60
9 Mía 0,20 – 0,25
10 Bông 1,40 – 3,00
11 Cải dầu 1,85 – 2,0
Bảng 2.2. Sản lượng phế thải của một số loại cây trồng chính trên thế giới
STT Khu vực Ngũ
cốc
(Mt)
Cây
có củ
(Mt)
Cây
họ đậu
(Mt)
Mía
đường
(Mt)
Tổng sản
lượng
(Mt)

%
1 Nam Mỹ 430 3 2 5 440 19
2 Châu Âu 330 22 4 - 356 15
3 Liên Xô (cũ) 203 18 8 - 229 10
4 Mỹ Latin 118 9 7 58 192 8
5 Châu Phi 99 15 8 10 132 6
6 Châu Á 836 44 38 54 972 41
7 Châu Đại Dương 29 - - 5 34 1
8 Các nước phát
triển
1035 46 14 13 1108 47
9 Các nước đang
phát triển
1009 66 53 119 1247 53
10 Toàn thế giới 2044 112 67 132 2355 100
Không phải tất cả các loại phế thải đều có thể sử dụng làm nhiên liệu. Phế thải
nói chung có rất nhiều công dụng, như làm thức ăn cho gia súc, làm phân bón, làm
nguyên liệu công nghiệp và nguyên liệu chế biến. Cần phân biệt lượng phế thải tổng
cộng và lượng phế thải có thể sử dụng được trong thực tế. Một loại phế thải có thể
có nhiều công dụng khác nhau. Ví dụ: thân cây lúa (rơm rạ) có thể sử dụng để che
phủ bảo vệ đất, giữ ẩm cho đất, cung cấp năng lượng cho vi sinh vật hoạt động, tăng
65
khả năng trao đổi cation và giảm cacbonic. Năng lượng chứa trong phế thải thực vật
có thể tính theo số liệu ở bảng 2.3.
Bảng 2.3. Năng suất phế thải từ ngũ cốc ở các nước đang phát triển
STT Tên nước
Năng suất cây trồng
(t/ha.năm)
Tỷ số cây
trồng/phế

thải
Sản lượng phế thải
(t/ha.năm)
Khoảng Trung
bình
Khoảng Trung
bình
1 Lúa 0,7 – 5,7 2,5 1:2 1,4 – 11,4 5,0
2 Lúa mì 0,6 – 3,6 1,5 1:1,75 1,1 – 6,1 2,6
3 Ngô 0,5 – 3,7 1,7 1:2,5 1,3 – 9,3 4,3
4 Luá miến 0,3 – 3,2 1,0 1:2,5 0,8 – 8 2,5
5 Lúa mạch 0,4 – 3,1 2,0 1:2 0,7 – 5,4 3,5
6 Kê 0,5 – 3,7 0,6 1:2 1,0 – 7,4 1,2
Năng lượng thu được từ phế thải của ngũ cốc tính theo đầu người ở một số
nước đang phát triển được đánh giá một cách tương đối như trình bày ở bảng 2.4.
Bảng 2.4. Năng lượng thu được từ phế thải ngũ cốc ở một số nước trên thế
giới
STT Tên nước Năng lượng từ phế thải
ngũ cốc (GJ/người.năm)
1 Achentina 25,0
2 Thái Lan 9,3
3 Malauy 8,6
4 Brasil 8,1
5 Nepal 7,1
6 Trung Quốc 6,8
7 Ấn Độ 5,5
8 Bănglađet 4,3
9 Ethiopia 3,3
10 Pêru 2,9
11 Somalia 2,1

12 Cônggô 1,1
Trung bình tại các nước đang phát triển 5,6
- Phân động vật là một dạng phế thải quan trọng ở các nước đang phát triển.
Cũng như phế thải thực vật, phân động vật có thể được sử dụng theo nhiều cách như
bón thẳng ra ruộng, ủ để làm phân hữu cơ hoặc sản xuất khí sinh hoc (biogas).
b) Cây trồng làm nhiên liệu
- Cây hàng năm: Nhiều loại cây trồng hàng năm có thể sử dụng làm nguyên
liệu để sản xuất nhiên liệu như ngô, mía, củ cải đường, … Tỷ số năng lượng của
66
các loại cây này (là tỷ số giữa năng lượng đầu ra so với tổng năng lượng đầu vào để
sản xuất và chế biến một loại nhiên liệu từ biomass) nằm trong khoảng 1 ÷17. Tuy
nhiên hiện nay việc chế biến nhiên liệu từ sản phẩm của cây trồng hàng năm còn gặp
nhiều khó khăn do tính kinh tế thấp và tính cạnh tranh với cây lương thực.
- Cây rừng và cây lâu năm: Mặc dù rất khó đo đếm, nhưng phải thừa nhận
rằng nguồn tài nguyên rừng trên thế giới là vô cùng lớn. Theo ước tính, tổng diện
tích rừng trên thế giới vào khoảng 3800.10
6
ha, hàng năm có thể cho 19.10
9
m
3
gỗ
với 51% từ các vùng nhiệt đới. Trong tổng sản lượng gỗ nói trên, có 11% đang
được sử dụng – 2% cho công nghiệp và 9% làm nhiên liệu.
Mặc dù diện tích rừng rất lớn và trải rộng nhưng phân bố không đều. Nạn phá
rừng đang là vấn đề nghiêm trọng ở nhiều nước đang phát triển, và nhiều thảm hoạ
đã xảy ra ở những vùng mà tốc độ khai thác gỗ làm củi đun nhanh hơn tốc độ phát
triển của cây rừng hàng năm.
- Cây lấy dầu: Gần đây người ta quan tâm nhiều đến các cây lấy dầu như
hướng dương, đậu tương, lạc, cải dầu, cọ, đậu cọc rào, … Nhiều chương trình

nghiên cứu về kỹ thuật sản xuất, ép dầu và tinh chế dầu thực vật làm nhiên liệu đang
được tiến hành ở Nam Phi, Brasil, Úc, Mỹ và Đức.
c) Cây sống dưới nước:
- Cây nước ngọt: Cây nước ngọt rất đa dạng, từ vi tảo đến những cây lớn sống
ở đầm lầy như cây đuôi mèo, lan dạ hương, đước… Những loại cây này có thể cho
khối lượng lớn biomass, tới hơn 45 tấn/ha.năm. Số liệu về cây nước ngọt hiện còn
rất hạn chế.
- Cây nước mặn: Tảo khổng lồ được trồng và khai thác nhờ các trang trại trên
biển. Hàng năm trên thế giới thu được khoảng 2 triệu tấn loại tảo này, nhưng các
chuyên gia ước tính rằng tiềm năng thực tế phải lớn gấp 10 lần con số này. Đây là
nguồn nguyên liệu lớn để sản xuất khí đốt tự nhiên (methane). Tuy nhiên việc canh
tác trên biển đang gặp những khó khăn lớn mà đến nay vẫn chưa giải quyết được.
2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT NĂNG LƯỢNG TỪ BIOMASS
Năng lượng được coi là cơ sở để tạo ra công có ích trong các thiết bị nhiệt.
Nhiệt năng là một dạng của năng lượng. Biomass có thể được đốt trực tiếp để sinh
nhiệt hoặc chế biến thành các dạng nhiên liệu thuận tiện cho sử dụng, bao gồm
nhiên liệu rắn, nhiên liệu lỏng và nhiên liệu khí.
2.2.1. Sản xuất nhiên liệu rắn từ biomass
Nhiên liệu rắn là loại biomass thô bao gồm gỗ, củi, phế thải nông nghiệp và
than củi. Đây là loại nhiên liệu chiếm ưu thế ở các nước đang phát triển được sử
dụng để đun nấu đồng thời cho các ứng dụng nhiệt quan trọng khác.
Các phương pháp đốt gỗ để tạo than củi được biết đến từ lâu trên thế giới, song
phát triển cao nhất trong lĩnh vực này phải kể đến các thiết bị đốt gỗ khác nhau, nhất
là đốt gỗ cắt đoạn được sử dụng ở Đức và Áo với các giải pháp kỹ thuật hoàn thiện.
Đối với các loại nguyên liệu sinh hoá khác nhau thì tuỳ theo yêu cầu mà có thể
tạo dạng buồng đốt khác nhau hoặc tiến hành điều chỉnh từng phần. Đối với những
67
hỗn hợp gồm nhiều nguyên liệu khác nhau cũng cần quan tâm đến việc sử dụng hỗn
hợp đốt hoặc thiết kế quá trình đốt nối tiếp các nguyên liệu trong một thiết bị mà vẫn
giữ nguyên yêu cầu của khí đốt. Kỹ thuật đốt tuần hoàn xoáy theo lớp có những

truyền thống. Các thiết bị đốt cây thân thảo (cỏ, thân cây lương thực, …) phát triển
mạnh ở Đan Mạch.
2.2.2. Nhiên liệu lỏng từ biomass
Nhiên liệu lỏng sản xuất từ biomass gồm ba loại chính: methanol sản xuất bằng
việc tổng hợp các chất khí; ethanol là sản phẩm lên men từ đường, tinh bột hoặc các
chất xenlulô; dầu thực vật được sản xuất từ các loại hạt thực vật có dầu dùng làm
nhiên liệu cho động cơ đốt trong.
Việc sản xuất rượu cồn từ vật liệu sinh học (bioethanol) xuất phát từ thực vật
chứa đường, tinh bột hoặc xenlulô. Trọng tâm của phương pháp là một quá trình lên
men để phân giải đường. Thực vật chứa đường như mía, củ cải đường là vật liệu có
khả năng chuyển hoá thành rượu nhanh nhất. Trong khi đó thực vật chứa xenlulô
cần phải qua rất nhiều cấp chuẩn bị để chuyển hoá xelulô thành đường. Trong quá
trình lên men thường phải trải qua nhiều cấp mới có thể lấy được rượu. Ở điều kiện
khí quyển có thể lấy được rượu 96%. Nếu muốn dùng rượu này để trộn lẫn với nhiên
liệu hoá thạch thì cần tách nước còn lại. Để bổ sung làm nhiên liệu cho động cơ đốt
trong cần thêm một cấp xử lý để tăng trị số ốc tan.Nói chung việc sản xuất
bioethanol là một quá trình có chi phí lớn làm cho sản phẩm bioethanol có giá thành
cao nên hiện nay chưa được sử dụng rộng rãi.
Dầu thực vật để làm nhiên liệu (biodiesel) được sản xuất bằng các phương
pháp và thiết bị khác nhau đều có chung một nguyên lý giống như sản xuất dầu ăn.
Hiện nay có thể chia làm 2 dạng sản xuất chủ yếu: ép dầu tập trung và ép dầu phân
tán. Phương pháp ép dầu tập trung được sử dụng trong các đơn vị sản xuất lớn trong
đó có hai cấp chiết dầu: chiết cơ học lấy được khoảng 85% và sau đó là chiết hoá
học lấy được khoảng 14%, đạt mức tận thu đến 99%. Tuy nhiên phương pháp này
yêu cầu đầu tư lớn. Ngược lại ở những nơi sản xuất phân tán sử dụng dây chuyền rút
ngắn với thiết bị nhỏ gọn, mức lấy dầu thấp hơn do bỏ qua công đoạn chiết dầu hoá
học. Để tách tạp chất có thể sử dụng các bộ lọc kiểu áp suất hoặc đơn giản hơn là
nhờ phương pháp lắng lọc.
2.2.3. Sản xuất nhiên liệu khí từ biomass
Nhiên liệu khí là sản phẩm của quá trình hoá khí các nguyên liệu biomass thô

thông qua các quá trình hoá học. Biomass thô là hợp chất của xenlulô, lignin và các
nguyên liệu khác được tạo thành từ cacbon, hydro và ôxy. Hoá khí là sự chuyển đổi
thành phần cacbon trong biomass thành chất khí dễ cháy bằng cách điều khiển tốc
độ dòng khí thổi qua lớp vật liệu.
Để hoá khí nhiên liệu rắn có 3 phương pháp quen thuộc, đặc điểm của mỗi
phương pháp này tuỳ thuộc vào chiều dẫn chất mang nhiệt so với dòng chuyển động
của vật liệu, bao gồm:
-
Hoá khí dòng đều hay dòng xuống.
-
Hoá khí dòng ngược hay dòng lên.
68
-
Hoá khí dòng xoáy theo lớp với các vùng lên và vùng xuống.
Quá trình hoá khí dòng đều phù hợp với gỗ nhưng không phù hợp với các loại
cây thân thảo do cần thiết phải tạo ra những bối vật liệu và nguy cơ tạo xỉ từ tro.
Việc hút khí nóng qua các bối vật liệu dẫn đến khả năng tách nhựa và cacburhydro
thành CO, CO
2
và H
2
O, đây là một khả năng có lợi. Hiệu suất của lò hoá khí dòng
đều vào khoảng 50 – 80%, nguyên liệu ngoài gỗ cần có hàm lượng nước < 20%.
Lò hoá khí dòng ngược làm việc với quá trình hút khí đốt ở vùng vào của vật
liệu. Khí đốt nóng tác động làm khô sơ bộ vật liệu vào lò và phần nào làm tách các
phần tử lớn dẫn đến làm giàu khí đốt. Lò hoá khí dòng ngược có yêu cầu về hàm
lượng nước của vật liệu, về độ tách nhỏ và cấu trúc vật liệu ở khoảng rộng hơn so
với hoá khí dòng đều. Loại lò này còn dùng để hoá khí các vật liệu thân thảo, cây lá
có sinh khối lớn. Việc ngưng tụ khí đốt ẩm dẫn đến tạo nước, tạo nhựa hoặc axit
axetic và các hợp chất khác, cần quan tâm để loại bỏ. Hiệu suất của lò dòng ngược

vào khoảng 85%.
Quá trình hoá khí dòng xoáy về mặt kỹ thuật hoạt động như quá trình đốt dòng
xoáy theo lớp. Yêu cầu đảm bảo dòng vật liệu đều đặn đối với cả chất mang nhiệt và
vật liệu dẫn đến chi phí lớn cho thiết bị và cho điều khiển quá trình. Nhiệt độ quá
trình cần được giữ đúng ở nhiệt độ hoá tro của nguyên liệu để đảm bảo hoạt động
của quá trình.
Các quá trình hoá khí và sản phẩm của chúng được trình bày tổng quát trên
hình 2.2
69
70
Hình 2.2. Các quá trình hoá khí và sản phẩm.
Đầu vào
BIOMASS
Không
khí
Ôxy
Hydro
Nhiệt
Hoá khí dùng
không khí
Hoá khí dùng
ôxy
Hoá khí dùng
hydro
Hoá khí
nhiệt phân
Khí năng lượng
thấp (N
2
)

Khí năng lượng
trung bình
Dầu nhiệt phân Than củi
Cơ năng
(động cơ đốt
trong)
Khí năng lượng
trung bình và khí
giàu năng lượng
(đưa vào đường ống
khí đốt)
Chất lỏng tổng hợp
methanol
ammonia
gasoline
Dầu nhiệt phân
Hơi nước
(dùng trong chế
biến nhiệt và
động cơ hơi nước)
Kiểu
hoá khí
Sản phẩm
trung gian
Sản phẩm
cuối cùng
63
2.3. SN XUT NNG LNG T BIOGAS
2.3.1. Khỏi nim v biogas
Biogas hay khí sinh học là sản phẩm của quá trình lên men phân động vật và

các phế thải hữa cơ khác. Thành phần chủ yếu của biogas gồm khoảng 50-70%
Metan và 30 - 45% CO
2
và một ph n nhỏ chất lu huỳnh.
Tỷ lệ giữa các chất trong hỗn hợp phụ thuộc vào loại nguyên liệu và diễn biến
của quá trình sinh học.
Bảng 2.5. Thành phần của các chất khí trong biogas
Loại khí Tỷ lệ (%)
CH
4
50 70
CO
2
30 45
N
2
0 3
H
2
0 3
O
2
0 3
H
2
S 0 3
Mêtan (CH
4
) là thành phần chủ yếu của khí sinh học. Nó là chất khí không
màu, không mùi và nhẹ bằng nửa không khí, ít hòa tan trong nớc. ở áp suất khí

quyển, mêtan hóa lỏng ở nhiệt độ 161,5
0
c.
Khi Mêtan cháy sẽ tạo ra ngọn lửa màu lơ nhạt và tỏa nhiều nhiệt lợng
CH
4
+ 2O
2
= CO
2
+ 2H
2
O + 882 kJ
Quá trình lên men các phế thải hữa cơ để tạo thành biogas gồm ba giai đoạn
sau:
Giai đoạn 1: Dới tác dụng của ezin thủy phân các chất hữa cơ lớn đợc phân
giải thành các chất hữa cơ phân tử nhỏ nh axit béo, axit amin
Giai đoạn 2: Dới tác dụng của vi khuẩn tạo axit các chất hữa cơ phân tử nhỏ đ-
ợc phân giải thành các axit béo dễ bay hơi.
Giai đoạn 3: Các axit béo dễ bay hơi đợc chuyển hóa thành khí CH
4
và khí CO
2
nhờ các vi khuẩn sinh mêtan (Methanogen).
Trong 3 giai đoạn trên thì giai đoạn thứ 2 và giai đoạn thứ 3 xảy ra dới điều
kiện yếm khí chặt chẽ (kín hoàn toàn). Còn ở giai đoạn 1 thì nguyên liệu đợc ủ ở bể
hở. Do đó quá trình lên men các chất thải hữu cơ có thể chia thành 2 pha: pha không
kỵ khí (giai đoạn 1) và pha kỵ khí (gồm giai đoạn 2 và giai đoạn 3). Do vậy để tạo ra
khí sinh học ngời ta thờng thiết kế hầm ủ cho cả 2 pha của quá trình lên men (2 pha
hỗn hợp hoặc có vách ngăn 2 pha) hoặc hầm ủ nguyên liệu ở bể hở khoảng 1 tuần

cho pha không kỵ khí rồi mới chuyển xuống hầm kín.
2.3.2. Nguyờn liu sn xut biogas
Nguyên liệu để sản xuất biogas là các chất thải hữu cơ nh phân động vật, các
loại thực vật nh bèo, cỏ, rơm rạ, phế thải hữu cơ sinh hoạt Khả năng khai thác
biogas và năng lợng từ một số nguyên liệu khác nhau đợc trình bày trong bảng 2.6.
Bảng 2.6. Khả năng khai thác biogas và năng lợng của một số vật liệu hữu cơ.
STT Vật liệu Khả năng khai thác
biogas (l/kg v.c.khô)
Năng lợng hàm chứa
(kWh/kg v.c. khô)
63
1 Thân lúa mạch 200 310 1,19 1,85
2 Thân cây ngô 380 460 2,27 2,75
3 Thân cây khoai tây 280 490 1,67 2,93
4 Lá củ cải đờng 400 500 2,39 2,99
5 Rau bỏ đi 330 360 1,97 2,15
6 Phân bò 200 400 1,19 2,39
7 Phân lợn 340 350 2,02 3,28
8 Phân gà 330 620 1,97 3,70
9 Bùn 310 740 1,85 4,42
10 Phế thải lò mổ 1200 1300 7,16 7,76
11 Bã mía 450 2,69
12 Vỏ quả 379 2,21

Việt Nam là nớc có nguồn nguyên liệu để sản xuất khí sinh học rất đa dạng.
Do là một nớc nông nghiệp nên lợng chất thải hữu cơ trong chăn nuôi, trồng trọt và
sinh hoạt gia đình là rất lớn. Việc xây dựng các hầm ủ khí sinh học là vấn đề đang
đợc Nhà nớc và các địa phơng quan tâm vì nó không những giải quyết đợc vấn đề
môi trờng mà còn tạo ra đợc một lợng lớn khí sinh học, một nguồn năng lợng sạch và
rẻ tiền phục vụ cho sinh hoạt gia đình đem lại lợi ích kinh tế đáng kể cho các hộ

nông dân.
Việc phân hủy yếm khí xảy ra tốt nhất khi tỷ lệ giữa cácbon và nitơ (C/N) trong
vật liệu nằm ở khoảng 30 tức là vi khuẩn trong quá trình lên men sử dụng C nhanh hơn
N đến 30 lần. Tỷ lệ C/N ở một số vật liệu thông thờng đợc giới thiệu ở bảng 2.7.
Bảng 2.7. Tỷ lệ C/N của một số loại vật liệu
STT Nguyên liệu Tỷ lệ C/N
1 Phân trâu, bò 24 25
2 Phân lợn 12 20
3 Phân gia cầm 5 15
4 Phân ngời 2,9 10
5 Bèo tây tơi 12 25
6 Rơm rạ khô, trấu 48 110
Qua bảng 2.7 cho thấy rơm rạ khô là loại nguyên liệu có tỷ lệ C/N cao nhất do
đó việc thủy phân yếm khí xảy ra rất chậm đôi khi có thể không thủy phân đợc nh
trấu. Tuy nhiên độ chứa N và C có thể thay đổi theo điều kiện phát triển của thực vật
hoặc mức độ ăn uống, chế độ nuôi nhốt của súc vật. Cụ thể đối với phân bò sữa có
thể tạo ra khí sinh học sau 20 ngày ủ khoảng 200 250 lít khí sinh học trên 1kg vật
liệu hữa cơ còn với phân bò thịt thì đợc đến 350 450 lít. Ngoài ra khả năng khai
thác khí sinh học còn chịu tác động của thời gian ủ. Thời gian ủ tăng sẽ làm tăng khả
năng khai thác khí sinh học. Thông thờng theo kinh nghiệm thực tế thì ngời ta chọn
thời gian ủ là 20 ngày vì nếu ủ lâu hơn thì khả năng khai thác khí sinh học cũng tăng
lên rất ít.
2.3.3. Một số yếu tố ảnh hởng tới quá trình sản xuất khí sinh học
Quá trình sản xuất khí sinh học chịu ảnh hởng của rất nhiều yếu tố nhng ở đây
chúng ta chỉ xét đến những yếu tố quan trọng nhất cần thiết nhất trong xây dựng và
vận hành để đảm bảo cho thiết bị hoạt động tốt nhất
64
Mức độ kỵ khí: Khí sinh học đợc sinh ra do hoạt động của nhiều vi sinh vật
trong đó các vi khuẩn sinh mêtan là quan trọng nhất (vi khuẩn methanogen). Nhng vi
khuẩn này chỉ sống đợc trong môi trờng tuyệt đối không có ôxy (kỵ khí bắt buộc).

Vì vậy đảm bảo môi trờng phân hủy tuyệt đối kỵ khí là một yếu tố quan trọng đầu
tiên.
Nhiệt độ: Hoạt động của vi khuẩn sinh mêtan chịu ảnh hởng rất nhiều của nhiêt
độ môi trờng. Trong điều kiện tự nhiên nhiệt độ thích hợp nhất đối với chúng là 30
40
0
C. Nhiệt độ thấp hoặc thay đổi đột ngột đều làm cho quá trình sinh mêtan yếu
đi. Nhiệt độ môi trờng phân hủy xuống dới 10
0
C thì quá trình phân hủy gần nh dừng
lại. Vì vậy ở những vùng lạnh cần đảm bảo cách nhiệt tốt để giữ ấm cho thiết bị.
Việc xây dựng công trình ngầm dới lòng đất là biện pháp tốt để giữ ổn định nhiệt độ
cho môi trờng phân hủy.
Tỷ lệ C/N của nguyên liệu: Tỷ lệ giữa trọng lợng của C và N có trong thành
phần nguyên liệu là chỉ tiêu đánh giá khả năng phân hủy của nó. Vi khuẩn tiêu thụ
cácbon nhiều hơn nitơ khoảng 30 lần. Vì vậy tỷ lệ C/N của nguyên liệu bằng 30 là
tối u. Tỷ lệ quá cao thì quá trình phân hủy xảy ra chậm, ngợc lại tỷ lệ này quá thấp
thì quá trình phân hủy ngừng trệ vì tích lũy nhiều amôniăc là một loại độc tố đối với
vi khuẩn ở nhiệt độ cao. Nói chung phân trâu, bò và phân lợn có tỷ lệ C/N thích hợp
nhất, phân ngời và phân gia cầm có tỷ lệ C/N thấp. Các nguyên liệu thực vật có tỷ lệ
C/N cao. Để đảm bảo tỷ lệ C/N thích hợp ta nên dùng hỗn hợp các loại nguyên liệu
chẳng hạn dùng phân ngời, phân gia cầm kết hợp với rơm rạ
Hàm lợng chất khô: Khi ta sấy khô nguyên liệu nớc sẽ bay hơi hết và còn lại là
phần chất khô của nguyên liệu. Hàm lợng chất khô là tỷ lệ giữa trọng lợng chất khô
và tổng trọng lợng của nguyên liệu và đợc tính bằng phần trăm (%).
Quá trình phân hủy sinh mêtan xảy ra thuận lợi nhất khi môi trờng có hàm lợng
chất khô thích hợp. Đối với các loại phân hàm lợng chất khô tối u vào khoảng 7
9%. Đối với bèo tây hàm lợng này là 4 5%. Đối với rơm ra hàm lợng chất khô tối -
u là 5 8%. Nguyên liệu ban đầu thờng có hàm lợng chất khô cao hơn giá trị tối u
nên khi nạp vào thiết bị cần phải pha thêm nớc. Tỷ lệ pha loãng thích hợp là từ 1 3

lít nớc cho 1kg phân.
Thời gian lu: Thời gian lu là thời gian từ lúc nạp nguyên liệu vào đến lúc lấy
nguyên liệu ra. Đối với chế độ nạp liên tục nguyên liệu sau phân hủy đợc đẩy dần tới
lối ra do bị nguyên liệu mới bổ xung chiếm chỗ. Thời gian lu là thời gian nguyên
liệu đợc nạp vào cho tới khi bị đẩy ra khỏi bể phân hủy và thờng đợc tình bằng tỷ số
giữa thể tích phân hủy và thể tích nguyên liệu đợc nạp bổ xung hàng ngày (đã pha
loãng).
Quá trình phân hủy của nguyên liệu trong điều kiện tự nhiên xảy ra trong một
thời gian dài. Đối với phân động vật thời gian này có thể kéo dài tới hàng tháng. Đối
với nguyên liệu thực vật thời gian này có thể tới hàng năm. Đối với các thiết bị hoạt
động liên tục, thời gian lu càng lớn thì khí thu đợc từ một lợng nguyên liệu nhất định
càng nhiều. Song nếu làm nh vậy thì thể tích bể phân hủy phải lớn và vốn đầu t xây
dựng cao. Nh vậy ngời ta chọn thời gian lu sao cho trong thời gian này tốc độ sinh
khí mạnh nhất. Do đó thời gian thờng đợc chọn căn cứ vào thiết bị của địa phơng và
nguyên liệu nạp.
Các độc tố: Hoạt động của vi khuẩn chịu ảnh hởng của một số hóa chất. Khi
hàm lợng của hóa chất này vợt quá giới hạn quy định các vi khuẩn có thể bị tiêu diệt.
Trong thực tế sản xuất khí sinh học cần tránh các độc tố hóa học (thuốc trừ sâu,
thuốc sát trùng), chất kháng sinh, nớc xà phòng, nớc nhuộm.
2.3.3. Cỏc loi hm sn xut biogas
Để sản xuất khí sinh học, trớc hết cần có hầm chứa (hầm phản ứng biogas) là
nơi để thực hiện quá trình tạo khí. Theo quan điểm kỹ thuật công nghệ, hầm phản
ứng có thể hoạt động nh một thiết bị lu giữ. Việc nạp nguyên liệu có thể đợc thực
hiện theo 2 cách:
65
Nạp từng mẻ: Toàn bộ nguyên liệu đợc nạp vào thiết bị một lần. Mẻ nguyên
liệu này đợc phân hủy dần dần và cho khí sử dụng. Sau một thời gian đủ để cho
nguyên liệu phân hủy gần hết thì toàn bộ mẻ nguyên liệu đợc lấy đi và thay thế vào
đó là một mẻ nguyên liệu mới. Thông thờng phơng pháp này đợc áp dụng cho các
nguyên liệu là thực vật vì chúng phân hủy trong thời gian dài (thờng từ 3 6 tháng)

Nạp liên tục: Nguyên liệu đợc nạp đầy lúc mới đa thiết bị vào hoạt động. Sau
đó nguyên liệu đợc bổ sung thờng xuyên, khi có một phần nguyên liệu đã phân hủy
sẽ đợc lấy đi nhờng chỗ cho phần nguyên liệu mới nạp vào. Phơng pháp này phù hợp
với điều kiện nguyên liệu không có sẵn ngay một lúc mà phải thu góp hằng ngày nh
phân ngời, phân súc vật.
Trong thực tế ngời ta thờng áp dụng cả 2 phơng pháp trên: Nguyên liệu thực vật
đợc nạp từng mẻ, còn phân ngời và phân xúc vật đợc nạp liên tục hằng ngày. Phơng
pháp này gọi là bán liên tục
Trong quá trình phân hủy chỉ có một phần nguyên liệu chuyển hóa thành khí
sinh học, phần còn lại đợc lấy ra cùng với nớc loãng gọi là bã thải
Dựa vào cách thu tích khí ngời ta chia hầm sản xuất biogas thành hai loại là nắp
nổi và nắp cố định.
2.3.3.1. Hầm sản xuất biogas nắp nổi
Bộ phận chứa khí 2 là một nắp có dạng thùng đợc úp trực tiếp vào dịch phân
hủy (hình 2.3) hoặc vào một đai nớc quanh miệng bể phân hủy (hình 2.4). Khí đợc
tích lại càng nhiều thì nắp nổi càng cao. Trọng lợng của nắp sẽ nén vào khí tạo ra áp
suất. Khi lấy khí ra sử dụng nắp sẽ chìm dần xuống.
Khi nạp nguyên liệu mới qua bể nạp 3 thì nguyên liệu đã phân hủy sẽ tràn ra
qua lối thoát 4.
Hình 2.3. Thiết bị khí sinh học nắp nổi có giăng n ớc
4
5
2
3
1
5
1
2
3
4

Hình 2.3. Hầm sản xuất biogas nắp nổi
1. Bể phân hủy; 2. Bể chứa khí; 3. Bể nạp nguyên liệu;
4. Bể xả; 5. Cửa lấy khí ra.
66
Nắp thờng đợc chế tạo bằng sắt hay ximăng có lới thép. Yêu cầu của nắp là
phải đảm bảo độ kín khít. Ngoài ra trọng lợng của nắp sẽ tạo ra áp suất khí. Tuy vậy,
nếu chế tạo nắp bằng thép thì giá thành cao (30 40% giá công trình) và khó khăn
khi tự sản xuất tại chỗ. Nắp thép thờng làm cho dịch phân hủy mất nhiệt về mùa
đông nên năng suất giảm. Loại có đai nớc hạn chế đợc nhợc điểm này, đồng thời
khắc phục đợc nớc ma tràn vào bể phân hủy khiến dịch phân hủy tiếp xúc với không
khí, không đảm bảo điều kiện kỵ khí. Tuy nhiên do xây thêm đai nớc nên tăng chi
phí chế tạo.
2.3.3.2. Hầm sản xuất biogas nắp cố định
Cấu tạo: Bộ phận chứa khí 2 và bể phân hủy 1 đợc gắn liền với nhau thành một
bể kín. Dịch phân hủy đợc chứa ở dới và khí đợc thu giữ ở phía trên.
Khí sinh ra ở phía trên sẽ tạo ra áp suất nén xuống mặt dịch phân hủy, đẩy một
phần dịch phân hủy tràn lên bể điều áp 6 đợc thông với lối ra 4
Giữa bề mặt dịch phân hủy và mặt thoáng ở ngoài không khí có một độ chênh
lệch nhất định, thể hiện áp suất khí trong thiết bị. Khí tích lại càng nhiều thì độ
chênh lệch này càng lớn. Khi lấy khí sử dụng dịch phân hủy từ bể điều áp lại dồn vào
bể phân hủy và đẩy khí ra ngoài, áp suất khi đó sẽ giảm dần tới 0.
Thiết bị nắp cố định có thể xây dựng bằng những vật liệu thông thờng nh gạch,
cát, ximăng nên giá thành hạ hơn. Ngoài ra có thể đặt chìm dới mặt đất nên đỡ tốn
diện tích hơn và giữ ổn định đợc nhiệt độ. Thiết bị loại này có thể tạo đợc áp suất khí
cao ( tới 100cm cột nớc) nên khí dùng rất có hiệu quả.
Hỡnh 2.4. Hm sn xut biogas np ni cú giong nc.
Hình 2.5. Hầm sản xuất biogas nắp cố định vòm cầu.
1. Bể phân huỷ; 2. Bộ phận chứa khí; 3. Cửa nạp;
4. ống dẫn; 5. Cửa lấy khí ra; 6. Cửa thải bã.
67

Ngoài ra còn có hầm sản xuất biogas túi chất dẻo, đó là biến thể của nắp cố
định. áp suất khí tạo ra do độ đàn hồi của vỏ túi nên không cần phải có bể điều áp
nhng lại cần có trọng vật đè lên túi. Loại này có giá thành hạ nhng tuổi thọ ngắn.
Trong số các loại hầm ủ khí sinh học, loại nắp cố định vòm cầu là loại có nhiều
u điểm nhất và đang đợc ứng dụng rộng rãi tại Việt Nam vì thiết bị này có một số u
điểm sau:
- Vòm cầu cho phép tiết kiệm vật liệu tới mức tối đa vì cùng một thể tích thì
diện tích bề mặt nhỏ nhất và chịu lực khoẻ nhất nên bề dày của tờng giảm tới mức
thấp nhất( gạch đợc xây nghiêng). Ngoài ra chỉ sử dụng các vật liệu thông thờng, hạn
chế sử dụng sắt thép tơí mức tối đa. Nhờ vậy giá thành hạ
- Bề mặt giữ kín là đới cầu có diện tích nhỏ nhất và liên tục, không có góc cạnh
nên dễ đảm bảo kín khí và tránh đợc sự rạn nứt vế sau này.
- Bể phân huỷ có bề mặt nhỏ, đợc đạt ngầm dới đất nên hạn chế đợc sự trao đổi
nhiệt giữa dịch phân huỷ và môi trờng xung quanh, giữ nhiệt độ ổn định, ít chịu ảnh
hởng của thời tiết lạnh về mùa đông.
- Thiết bị đợc đặt ngầm nên dễ vận hành và ít tốn diện tích mặt bằng.
- Đợc thiết kế bằng máy tính, các kích thớc đợc tính toán sao cho diện tích xây
dựng nhỏ nhất để tiết kiệm vật liệu tối đa, các chi tiết đều đợc cải tiến trên cơ sở 10
năm tuổi của kiểu nhiên liệu.
Hiện nay các hầm ủ loại này đợc xây dựng phổ biến ở nớc ta, công suất của
chúng thông thờng từ 1 10 m
3
. Lợng biogas tạo ra chủ yếu đợc dùng làm chất đốt
phục vụ sinh hoạt gia đình. Tuy nhiên biogas là một loại khí lỏng nên không thể lu
giữ sử dụng lâu dài hay nén vào trong các bình áp suất. Chính vì vậy việc nghiên cứu
để đa loại khí này vào sử dụng trong các mục đích khác đang là vấn đề cần thiết và
cần đợc quan tâm bởi vì nó vừa giải quyết đợc vấn đề môi trờng do xử lý đợc các
chất thải gây ô nhiễm , vừa tiết kiệm đợc một nguồn năng lợng đáng kể.
2.3.4. S dng biogas trong sn xut v i sng
Biogas sn xut ra c s dng lm nhiờn liu phc v sn xut v i sng.

Tu theo qui mụ ca thit b sn xut biogas m sn lng cung cp v phng thc
s dng s khỏc nhau. n gin nht l s dng trc tip biogas t hm phn ng
un nu trong mt gia ỡnh. Phc tp hn l cung cp biogas cho mng li s dng
nhiờn liu khớ phc v sinh hot ca mt khu chung c hay mt khu vc no ú,
hoc chy mỏy phỏt in cung cp in nng v nhit nng cho mt n v sn
xut. Trong sn xut nụng nghip, nu thit b c thit k hp lý cú th va sn
xut biogas lm nhiờn liu li va sn xut phõn hu c bún rung.
Hình 2.6. Thiết bị khí sinh học kiểu túi chất dẻo
1. Bể phân huỷ; 2. Bộ phận chứa khí; 3. Cửa nạp;
4. Cửa xả; 5. Cửa lấy khí ra
68
2.3.4.1. Đun nấu bằng biogas trong gia đình
Để sử dụng biogas trực tiếp từ hầm sản xuất của gia đình cần có bếp đun dùng
biogas. Loại bếp này có cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo.Dưới đây giới thiệu một loại
bếp đơn giản có năng suất tiêu thụ biogas 380 – 450 l/h với hiệu suất nhiệt 50 –
55%.
Hình 2.7. Sơ đồ bếp đun dùng biogas đơn giản.
Các thông số cơ bản của bếp biogas đơn giản:
-
Đường kính vòi phun khí: 2,25 mm
-
Diện tích vòi phun: 3,98 mm
2
-
Đường kính vòi lửa: 6 mm
-
Số vòi lửa: 20
-
Tổng diện tích vòi lửa: 565 mm
2

-
Chiều đài ống trộn khí: 200 mm
-
Đường kính ống trộn khí: 20 mm
Bếp được thiết kế sao cho biogas trộn lẫn với không khí trong ống trộn trước
khi đến vòi lửa với tỷ lệ đủ lớn để đảm bảo không có mùi lạ, ngọn lửa sẽ có màu
xanh. Tổng diện tích các vòi lửa lớn hơn diện tích miệng vòi phun khoảng 80 – 200
lần. Khoảng cách từ vòi lửa đến đáy nồi cần cao khoảng 2,5 cm để tạo điều kiện cho
không khí xung quanh tràn vào đảm bảo cháy hết biogas.
Nếu muốn bếp có công suất khác có thể tự điều chỉnh chế tạo trên cơ sở các
thông số nói trên.
2.3.4.2. Sản xuất biogas và phân hữu cơ trong một trang trại
Trên thế giới đã có rất nhiều nông dân sử dụng phân gia súc để sản xuất biogas
đồng thời tự sản xuất phân hữu cơ chất lượng cao phục vụ sản xuất nông nghiệp. Để
tăng hiệu quả và tính kinh tế của thiết bị không những người ta quan tâm đến việc
xử lý kỹ thuật cho thiết bị cũng như khả năng thu gom vật liệu (tính tập trung và
69
thường xuyên) mà còn nghiên cứu cả khả năng và nhu cầu sử dụng năng lượng và
phân bón. Đối với một trang trại, mô hình đáng được quan tâm nhất là mô hình sản
xuất và sử dụng biogas – phân hữu cơ khép kín.
Ngoài việc quan tâm đến khả năng tận thu biogas, trong các mô hình này người
ta còn quan tâm đến những tác động hữu ích khác qua việc lựa chọn thiết kế thiết bị
biogas. Ở đây có thể kể đến việc giảm mùi hôi của phân đã qua ủ tạo khí, sử dụng
tốt hơn chất Nitơ cho cây trồng nhờ tăng thành phần NH
4
(NO
3
)
2
, các tính chất vệ

sinh tốt hơn và việc giảm khả năng nảy mầm của cỏ dại. Do trong các thiết bị biogas
chỉ có các liên kết hữu cơ dễ phân huỷ được chuyển đổi thành biogas còn các chất
có liên kết bền hơn và các chất dinh dưỡng cho cây trồng được giữ nguyên vẹn nên
công nghệ biogas cũng là một công nghệ sản xuất phân hữu cơ có nhiều ưu điểm.
Biogas được sử dụng hiệu quả hơn nếu kết hợp để chạy máy phát điện, khi đó
tạo được cả điện năng và nhiệt năng. Các hầm chứa phân đã phân huỷ không chỉ
hoạt động như là thiết bị chứa trực thuộc thiết bị biogas mà còn là một thiết bị sản
xuất phân bón cho nông nghiệp.
Trên hình 2.8 giới thiệu một mô hình sản xuất và sử dụng biogas và phân hữu
cơ. Mô hình này thực hiện chu trình luân chuyển khép kín của vật liệu và năng
lượng. Phân từ các chuồng trại chăn nuôi được thu gom vào các kênh gom qua bộ
phận trao đổi nhiệt được hâm nóng đến nhiệt độ thích hợp rồi đưa vào hầm phản
ứng. Tại hầm phản ứng xảy ra quá trình phân huỷ yếm khí. Biogas được tạo ra trong
hầm phản ứng được dẫn đến để chạy máy phát điện. Điện năng và nhiệt năng sau khi
đã trích một phần để làm nóng và bơm khuấy trong hệ thống có thể sử dụng phục vụ
nội bộ trang trại hoặc bán ra ngoài. Phân đã phân huỷ được gom lại ở bể chứa phân
sau đó được xử lý thành phân hữu cơ bón cho cây trồng.
70
Hình 2.8. Sơ đồ hoạt động của một hệ thống sản xuất biogas và phân hữu cơ trong
một trang trại nông nghiệp.
Trong 1m
3
biogas với hàm lượng methan 60% ẩn chứa một năng lượng 6kWh
được biến đổi nhờ máy phát điện thành điện năng và nhiệt năng. Trong đó có thể sử
dụng được 1,8 kWh là điện năng và 3,6 kWh là nhiệt năng, nghĩa là với hiệu suất
90%. Có 50% nhiệt năng lấy ra được sử dụng để làm nóng phân (ở các vùng lạnh),
chiếm 30% năng lượng. Rõ ràng trong hệ thống luôn dư thừa nhiệt năng, do đó cần
tìm những giải pháp hợp lý để sử dụng hết nhiệt năng được tạo ra.
2.3.4.3. Sản xuất biogas và phân hữu cơ từ hỗn hợp phân gia súc và các
chất thải hữu cơ khác

Để tận dụng tất cả các loại phế thải hữu cơ khác nhau người ta đã tiến hành
nghiên cứu thiết kế những hệ thống sản xuất biogas và phân hữu cơ mà có quan tâm
đến tính chất phân huỷ khác nhau của các dạng nguyên liệu khác nhau. Đối với các
nguyên liệu đơn lẻ như phân gia súc, chất thải sinh hoạt thì quá trình sản xuất cũng
71
như kỹ thuật về thiết bị đã tương đối hoàn thiện và chắc chắn, còn mức độ hiểu biết
về hỗn hợp nguyên liệu hữu cơ vẫn còn quá ít ỏi. Tại Đức người ta đã đưa ra một
mẫu hệ thống sản xuất biogas và phân hữu cơ từ nguyên liệu là hỗn hợp phân gia
súc và các chất thải hữu cơ khác từ công nghiệp thực phẩm như mỡ thải, máu gia
súc, chất thải trong công nghệ ép hạt cải dầu, … Sơ đồ hoạt động của hệ thống được
giới thiệu trên hình 2.9.
Hình 2.9. Sơ đồ hệ thống biogas sử dụng nguyên liệu hỗn hợp.
Quá trình sản xuất biogas dựa trên nguyên lý làm việc của hầm phản ứng có
cánh khuấy truyền thống với vùng nhiệt độ mesophil 30 – 35
0
C. Hai hầm phản ứng
R1 và R2 có dạng hình trụ với bộ phận truyền nhiệt đặt trong, hầm cách nhiệt ngoài
và có lắp bộ phận khuấy. Nguyên liệu chính cung cấp cho thiết bị là phân từ các
chuồng trại chăn nuôi có thành phần chất khô trung bình 5,3%. Ba hầm hình trụ S1,
S2 và S3 dùng để chứa các nguyên liệu hữu cơ khác nhau. Hầm S2 chủ yếu để chứa
nguyên liệu chứa mỡ, hầm S3 chủ yếu chứa nguyên liệu từ chất thải bẩn và chất thải
vệ sinh của các bếp ăn, hầm S1 luôn chứa nguyên liệu từ phân gia súc và có thể bổ
sung chất thải của công nghệ ép dầu hạt cải. Việc phân lớp phản ứng biogas với ba
loại nguyên liệu khác nhau được thực hiện theo một chương trình thời gian, điều đó
tạo khả năng định lượng các tỷ lệ hỗn hợp khác nhau.
Đối với hỗn hợp đã phân huỷ người ta bố trí các hầm lưu trữ, tại đó hỗn hợp
được xử lý thành phân hữu cơ và sử dụng trực tiếp để bón cho cây trồng. Biogas sản
xuất ra được tách lưu huỳnh tại hai tháp xử lý trước khi đưa đến sử dụng cho một
trạm phát nhiệt điện.
Tuy trên đây là một hệ thống qui mô lớn, đầu tư lớn có thể nói chưa phù hợp

với điều kiện kinh tế nước ta, song có thể nhìn nhận như là một kinh nghiệm, một
thông tin về khả năng sản xuất biogas ở những nơi có nguồn nguyên liệu tập trung
lớn và đa dạng.
72
2.3.5. Tính toán và vận hành hầm phản ứng đơn giản
Dung tích hầm phản ứng gồm hai phần: phần tự huỷ chứa vật liệu lên men tạo
biogas và phần chứa biogas. Việc tính toán dung tích hầm dựa trên một số cơ sở sau:
-
Yêu cầu sử dụng nhiên liệu, tiêu chuẩn hàng ngày của gia đình hay tập thể.
-
Loại nguyên liệu để tạo thành biogas.
-
Chu kỳ khai thác (thời gian nguyên liệu lưu lại trong hầm), qui mô nguồn
nguyên liệu.
Các hầm sản xuất biogas theo thiết kế hiện nay được vận hành theo qui trình
liên tục (tính theo đơn vị thời gian là một ngày đêm):
- Vận hành đợt đầu (hầm mới xây dựng hoặc khi thau rửa): Để việc sử dụng
được ổn định thường tập trung nguyên liệu nạp một lần đầy hầm. Nạp lần đầu
khoảng 70% khối lượng tính toán, trường hợp này cần tăng khối lượng nước để đạt
mức cốt thiết kế qui định. Nên đưa nước vào hầm khoảng 3/5 dung tích phần tự huỷ.
Đổ nguyên liệu vào hầm từ miệng hầm, nạp đến đâu khuấy đều đến đó cho hỗn hợp
trở thành dạng loãng. Sau khi nạp đậy nắp hầm lại, khoảng 3 – 5 ngày sau sẽ thu
được biogas. Những ngày đầu cho hàm lượng khí methan thấp, ngọn lửa có màu
vàng, những ngày sau sẽ chuyển sang màu xanh tím.
- Vận hành thường xuyên: Sau 20 – 25 ngày sử dụng đảm bảo cho hầm sản
xuất biogas hoạt động ổn định, bắt đầu nạp nguyên liệu và nước thường xuyên hàng
ngày. Đồng thời với việc nạp thường xuyên hàng ngày, phía hệ thống thải cũng tràn
ra một khối lượng chất đã phân huỷ tương đương.
Nói chung các hầm trong gia đình cần kết hợp với hố xí tự hoại, hệ thống
chuồng gia súc. Hàng ngày khi làm vệ sinh chuồng trại, nước rửa và phân theo hệ

thống chảy vào hầm. Việc vận hành thường xuyên càng đều đặn thì hầm sản xuất
biogas hoạt động càng ổn định. Chú ý không được cho nước xà phòng vào hầm, vì
như vậy sẽ làm tăng độ pH làm xấu khả năng tạo biogas và có thể làm chết các vi
khuẩn methanogen.
Một số qui tắc khi sử dụng biogas:
Khí methan nhẹ rất dễ bắt lửa, khi cháy hoàn toàn cho nhiệt lượng cao tới
13300 kcal/kg. Quá trình cháy không tạo sản phẩm gì có hại cho sức khoẻ. Vì thế
loại khí này đã được sử dụng trong công việc nội trợ gia đình ở nhiều nước trên thế
giới. Khí methan rất dễ gây nổ và nổ mạnh ở nơi có nồng độ 6 – 14% khi có tia lửa
hoặc nhiệt độ cao trên 700
0
C. Để phòng tránh các sự cố có thể xảy ra khi đun nấu
bằng khí methan cần chú ý một số điểm sau:
- Bệ ủ, hệ thống tạo khí methan và hệ thống đường ống dẫn đến các bộ phận
tiêu thụ phải tuyệt đối kín, cững vững. Nghiêm cấm mọi khả năng xuất hiện tia lửa
quanh khu vực sản xuất và sử dụng biogas.
- Trước khi bật lửa mồi bếp phải mở rộng cửa thông gió 10 – 15 phút để loại
trừ khả năng tích tụ khí methan do đường ống, van bị dò rỉ ra ngoài.
- Hệ thống dẫn khí vào các hộ tiêu thụ phải có đầy đủ van an toàn để kịp thời
xử lý khi cần thiết.
- Khi châm lửa vào bếp biogas cần mở từ từ van dẫn khí, khi không đun nấu
nữa phải vặn chặt van cấp khí.
73
- Trong quá trình sử dụng nếu thấy có hiện tượng khả nghi phải kiểm tra khắc
phục ngay.
2.4. NHIÊN LIỆU TÁI TẠO DÙNG CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
2.4.1. Giới thiệu chung
Phần lớn động cơ đốt trong dùng trên các loại xe hiện nay (ô tô, máy kéo, xe
máy, … ) được thiết kể để sử dụng nhiên liệu lỏng như xăng, diesel hoặc nhiên liệu
tương đương. Tất cả các nhiên liệu này đều có nguồn gốc hoá thạch mà trữ lượng

được đánh giá chỉ còn đủ dùng trong khoảng 50 - 60 năm nữa. Nguy cơ cạn kiệt
nguồn nguyên liệu hoá thạch cùng với nhận thức về môi trường đã thúc đẩy việc tìm
kiếm các nguồn nhiên liệu thay thế. Các loại nhiên liệu lỏng được sản xuất từ
nguyên liệu có nguồn gốc thực vật như ethanol (C
2
H
5
OH), methanol CH
3
OH,
gasoline C
4
-C
12
và dầu thực vật có thể sử dụng cho động cơ đốt trong rất tốt. Các
nhiên liệu này có khả năng tái tạo (trồng lại được) và có nhiều ưu thế như: không
phá huỷ môi trường, giảm thiểu hiệu ứng nhà kính, tăng tính cạnh tranh trong sản
xuất nông nghiệp và tiết kiệm nguồn năng lượng hoá thạch.
2.4.2. Các loại nguyên liệu phù hợp để sản xuất nhiên liệu tái tạo
Ethanol, methanol và gasoline được sản xuất từ các nguyên liệu khác nhau
theo các qui trình khác nhau như trình bày trên hình 2.10.
Hình 2.10. Nguyên liệu để sản xuất methanol và ethanol.
Khí tự nhiên
phân lập
Than đá
Than bùn
Gỗ
Thảo mộc
Chất thải
sinh hoạt rắn

Hạt nông sản
Đường
Methanol
Ethanol
74
Hình 2.11. Qui trình sản xuất methanol.
Hình 2.12. Sơ đồ qui trình sản xuất ethanol.
Hoá khí bằng
thổi khí ôxy
Thu khí
Thay đổi thành
phần khí
Nén cùng với
chất xúc tác
Chưng cất
Bảo quản
Methanol
Gỗ hoặc cây
thân thảo
Ôxy
Tái sử dụng bã
và dầu
Bảo quản
Methanol thô
Ethanol
Tách đường
Cô đặc thành xirô
để dự trữ (không
bắt buộc)
Pha loãng

với nước
Lên men
Chưng cất tới
95% ethanol
Cây có đường
Hạt nông sản
Tách bán sản
phẩm (đường)
Thức ăn gia súc
Sấy khô bán sản
phẩm (hạt)
Chuyển thành
đường
Chưng cất thành
ethanol khô
Bảo quản
Bảo quản
75
Ethanol được sản xuất nhiều ở Brasil, họ sản xuất từ mía. Ở châu Âu phần lớn
ethanol được sản xuất từ củ cải đường. Tuy nhiên quá trình chuyển đổi từ đường
thành rượu là quá trình có chi phí năng lượng rất lớn. Năng lượng cần để sản xuất
rượu lớn hơn nguyên liệu có thể đem sử dụng khoảng 20%.
Đối với mía đường thì nguyên liệu cần để sản xuất rượu và năng lượng có thể
sử dụng từ rượu gần bằng nhau.
Methanol được sản xuất bằng cách thuỷ phân các vật liệu phế thải hoặc cây cỏ
chứa xenlulô. Các chất thải này có khỗi lượng lớn ở các nhà máy chế biến gỗ, mía
đường hoặc cây cỏ trong quá trình sản xuất nông nghiệp.
Dầu thực vật nhận được từ quả và hạt của cây có dầu. Hàm lượng dầu và năng
suất của một số loại cây có dầu chính được trình bày trong bảng 2.8.
Bảng 2.8. Hàm lượng dầu và năng suất của một số loại hạt dầu.

TT Tên sản phẩm Hàm lượng dầu
(%)
Năng suất trung bình (kg/ha)
Dầu Tổng số
1 Cọ cao cây 60 - 65 - -
2 Cùi dừa khô Philippines 65 – 68 669 1045
3 Ngô hạt 4,8 254 5282
4 Hạt lanh 35 – 42 230 650
5 Hạt cọ dầu 45 – 50 3895 4455
6 Hạt lạc 45 – 50 790 2494
7 Hạt cải dầu 40 – 45 409 1166
8 Hạt hướng dương 35 – 40 589 1469
9 Hạt đậu tương 18 – 20 319 1788
10 Hạt vừng 50 260 -
Trong các loại cây có dầu, có ý nghĩa nhất là đậu tương với sản lượng 107 triệu
tấn trong một năm (1989) và hạt cải dầu với 23 triệu tấn. Đối với châu Âu hạt cải
dầu là loại hạt có dầu thích hợp nhất. Gần đây người ta phát hiện ra cây đậu cọc rào
(tên khoa học là Jatropha) là loại cây rất thích hợp với khí hậu nhiệt đới, có thể sống
trên đất xấu, có khả năng chịu hạn và chứa hàm lượng dầu 30 – 35%. Dầu đậu cọc
rào dùng chạy động cơ rất tốt. Hiện nay ở Việt Nam đang triển khai chương trình
trồng thử nghiệm cây đậu cọ rào ở một số tỉnh miền núi phía Bắc. Nếu thành công,
cây đậu cọc rào sẽ rất có ý nghĩa trong việc phủ xanh đất trống đồi núi trọc và tăng
thu nhập cho nông dân miền núi.
Dầu thực vật được ép ra từ hạt. Qui trình chế biến hạt dầu được trình bày trên
hình 2.13.
Dầu thực vật sau khi ép từ hạt cần được làm sạch khỏi các chất lạ không mong
muốn. Dầu thô chưa chế biến vẫn còn chứa mỡ, triglocerin và một loạt các chất kèm
theo như các axit béo tự do, các phosphatide, chất màu và mùi. Axit béo tự do làm
giảm độ nhớt và nhiệt độ bốc cháy của dầu. Phospatide không hoà tan trong dầu nếu
hợp nước sẽ làm tắc bình lọc nhiên liệu. Hạt cải dầu sau khi chế biến chỉ còn lại

20% năng lượng sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong.
76
Mỡ thải từ các bếp ăn hoặc chỗ rửa cũng như mỡ động vật ở các lò mổ có thể
xử lý nhiệt làm nóng chảy sau đó làm sạch thành nhiên liệu.
Khí hydro nhận được bằng điện phân, cháy trong động cơ tạo thành nước là
một nhiên liệu lý tưởng song khó có thể trở thnàh hiện thực do phải chi phí năng
lượng rất lớn cho việc sản xuất ở dạng điện năng. Người ta đã nhận thấy rằng, càng
tăng việc sản xuất điện năng từ nhiệt điện, thuỷ điện và điện hạt nhân thì càng làm
xấu đi cân bằng năng lượng tổng thể và trước hết là cân bằng sinh thái.
Hình 2.13. Sơ đồ qui trình chế biến biodisel từ dầu thực vật.
2.4.3. Các tính chất nhiên liệu
Nhiên liệu từ dầu thực vật phù hợp nhất để thay thế nhiên liệu diesel. Cồn
ethanol và methanol phù hợp cho động cơ cháy cưỡng bức. Để sử dụng cho các loại
động cơ sẵn có mà không cần thay đổi lớn về cấu trúc cần phải tìm hiểu về các tính
chất lý hoá học của nhiên liệu như độ nhớt động học, nhiệt trị, tính bốc cháy và tính
bay hơi. Bảng 2.9 và 2.10 trình bày các tính chất của các loại nhiên liệu tái sinh.
a) Độ nhớt
Độ nhớt của đa số dầu thực vật cao hơn nhiều so với nhiên liệu diesel, nghĩa là
dầu thực vật là chất lỏng sánh hơn. Điều này dẫn đến các vấn đề trong việc cung cấp
nhiên liệu, trong bình lọc và trong vòi phun. Độ nhớt là thông số quyết định đối với
chất lượng tạo bụi nhiên liệu và qua đó đến chất lượng cháy. Ở nhiệt độ dưới 0
0
C
nếu không có chất phụ gia thì dầu thực vật không còn dùng làm nhiên liệu được nữa.
Có thể làm giảm độ nhớt của dầu thực vật bằng cách đun nóng hoặc pha thêm nhiên
liệu diesel, hoặc ester hoá.
Ép dầu
Lọc dầu
Phá gôm
Làm sạch

Bảo quản
Biodiesel
Hạt có dầu
Bã ép
Thức ăn
chăn nuôi
77
Bảng 2.9. Một số tính chất của ethanol, methanol và gasoline
TT Thông số Ethanol Methanol Gasoline
1 Công thức hoá học C
2
H
5
OH CH
3
OH C
4
-C
12
2 Khối lượng phân tử (g) 46,0 32,0 100 – 105
3 Thành phần(% khối lượng):
Cacbon
Hydro
Ôxy
52,2
13,1
34,7
37,5
12,6
49,9

85 – 88
12 – 15
0
4 Khối lượng riêng (kg/lit) 0,794 0,796 0,72 – 0,78
5 Nhiệt độ sôi 78 65 27 – 225
6 Nhiệt ẩn hoá hơi (kJ/kg) 845 1100 353
7 Nhiệt trị (MJ/kg) 29,7 22,3 47,0
8 Nhiệt độ tự bốc cháy (
0
C) 423 464 257
9 Trị số ôctan nghiên cứu 107 109 93
10 Trị số ôctan khi pha trộn 126 130 -
Bảng 2.10. Một số tính chất vật lý của dầu thực vật
TT Loại dầu Khối lượng
riêng (kg/m
3
ở
21
0
C hay 70
0
F)
Độ nhớt
động
Nhiệt độ
đông đặc (
0
C)
Nhiệt trị
(MJ/kg)

1 Dầu đậu tương 918 57,2 -10 đến - 16 34,3
2 Dầu hướng dương 918 60,0 - 17 36,5
3 Dầu dừa 915 51,9 14 – 22 -
4 Dầu lạc 914 67,1 3 36,2
5 Dầu cọ 898 88,6 35 – 42 36,5
6 Dầu olive 915 74,0 - 39,5
b) Tính bốc cháy
Ở động cơ diesel nhiên liệu tự bốc cháy khi phun vào không khí nén ở nhiệt độ
cao trong buồng đốt. Điều này được thực hiện với trị số xetan > 45. Số xetan càng
cao việc tự bốc cháy nhiên liệu càng dễ dàng.
Số xetan xác định được của dầu thực vật nằm trong khoảng < 50, của dầu hạt
cải ester hoá đạt đến 55. Như vậy dầu hạt cải ester hoá (RME) vừa có độ nhớt thấp
lại vừa có tính chất bốc cháy tương tự như nhiên liệu diesel.
Ở động cơ cháy cưỡng bức, tính chất quyết định không phải tính tự cháy mà là
tính chống nổ, biểu hiện bằng số ôctan. Cồn có tính chống nổ tốt hơn các nhiên liệu
còn lại dùng cho động cơ cháy cưỡng bức. Methanol phần nào làm tăng tính chống
78